Ultradunne materialen zoals grafeen beloven een revolutie in nanowetenschap en technologie. Onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, hebben een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie waarin ze een methode presenteren voor het controleren van de randen van tweedimensionale materialen met behulp van een "magische" chemische stof.

"Onze methode maakt het mogelijk om de randen te controleren - atoom voor atoom - op een manier die zowel gemakkelijk als schaalbaar is, met alleen milde verwarming samen met overvloedige, milieuvriendelijke chemicaliën, zoals waterstofperoxide, " zegt Battulga Munkhbat, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde van de Chalmers University of Technology, en eerste auteur van het artikel.

Materialen zo dun als slechts een enkele atoomlaag staan ​​bekend als tweedimensionale, of 2-D, materialen. Het bekendste voorbeeld is grafeen, evenals molybdeendisulfide, zijn halfgeleideranaloog. Toekomstige ontwikkelingen binnen het vakgebied kunnen baat hebben bij het bestuderen van een bepaald kenmerk dat inherent is aan dergelijke materialen:hun randen. Het beheersen van de randen is een uitdagend wetenschappelijk probleem, omdat ze heel anders zijn in vergelijking met het hoofdgedeelte van een 2D-materiaal. Bijvoorbeeld, een specifiek type rand gevonden in overgangsmetaal dichalcogeniden (bekend als TMD's, zoals het eerder genoemde molybdeendisulfide), kan magnetische en katalytische eigenschappen hebben.

Typische TMD-materialen hebben randen die in twee verschillende varianten kunnen voorkomen, bekend als zigzag of fauteuil. Deze alternatieven zijn zo verschillend dat hun fysische en chemische eigenschappen helemaal niet gelijk zijn. Bijvoorbeeld, berekeningen voorspellen dat zigzagranden metallisch en ferromagnetisch zijn, terwijl fauteuilranden halfgeleidend en niet-magnetisch zijn. Net als bij deze opmerkelijke variaties in fysische eigenschappen, men zou kunnen verwachten dat de chemische eigenschappen van zigzag- en fauteuilranden ook heel verschillend zijn. Als, het kan zijn dat bepaalde chemicaliën de randen van de fauteuil kunnen oplossen, terwijl de zigzaggenen onaangetast blijven.

Nutsvoorzieningen, zo'n magische chemische stof is precies wat de Chalmers-onderzoekers hebben gevonden - in de vorm van gewoon waterstofperoxide. Aanvankelijk, de onderzoekers waren compleet verrast door de nieuwe resultaten.

"Het was niet alleen dat het ene type edge dominant was over de andere, maar ook dat de resulterende randen extreem scherp waren - bijna atomair scherp. Dit geeft aan dat de 'magische' chemische stof op een zogenaamde zelfbeperkende manier werkt, ongewenst materiaal atoom voor atoom verwijderen, uiteindelijk resulterend in randen op de atomair scherpe limiet. De resulterende patronen volgden de kristallografische oriëntatie van het originele TMD-materiaal, mooie produceren, atomair scherpe hexagonale nanostructuren, ', zegt Battulga Munkhbat.

"Een buitengewoon boeiende ontwikkeling"

De nieuwe methode, die een combinatie omvat van standaard top-down lithografische methoden met een nieuw anisotroop nat etsproces, maakt het daarom mogelijk om perfecte randen te creëren in tweedimensionale materialen.

"Deze methode opent nieuwe en ongekende mogelijkheden voor van der Waals-materialen (gelaagde 2-D-materialen). We kunnen nu edge-fysica combineren met 2-D-fysica in één enkel materiaal. Het is een buitengewoon fascinerende ontwikkeling, " zegt Timur Shegai, Universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde van Chalmers en leider van het onderzoeksproject.

Deze en andere verwante materialen trekken vaak veel onderzoeksaandacht, omdat ze cruciale vooruitgang mogelijk maken op het gebied van nanowetenschap en technologie, met potentiële toepassingen variërend van kwantumelektronica tot nieuwe soorten nano-apparaten. Deze hoop komt tot uiting in het Graphene Flagship, Europa's grootste onderzoeksinitiatief ooit, die wordt gecoördineerd door Chalmers University of Technology.

Om de nieuwe technologie beschikbaar te maken voor onderzoekslaboratoria en hightechbedrijven, de onderzoekers hebben een start-up bedrijf opgericht dat atomair scherpe TMD-materialen van hoge kwaliteit aanbiedt. De onderzoekers zijn ook van plan om toepassingen voor deze atomair scherpe metamaterialen verder te ontwikkelen.