Nieuwe 2D-materialen hebben het potentieel om technologieën te transformeren, met toepassingen van zonnecellen tot smartphones en draagbare elektronica, legt Can Ataca van UMBC uit, assistent-hoogleraar natuurkunde. Deze materialen bestaan ​​uit een enkele laag atomen die samengebonden zijn in een kristalstructuur. In feite, ze zijn zo dun dat een stapel van 10 miljoen slechts 1 millimeter dik zou zijn. En soms, Ataca zegt, minder is meer. Sommige 2D-materialen zijn effectiever en efficiënter dan vergelijkbare materialen die veel dikker zijn.

Ondanks hun voordelen, echter, 2D-materialen zijn momenteel moeilijk en duur om te maken. Dat betekent dat de wetenschappers die ze proberen te creëren, zorgvuldige keuzes moeten maken over hoe ze hun tijd investeren, energie, en fondsen in ontwikkeling.

Nieuw onderzoek door Daniel Wines, doctoraat kandidaat in de natuurkunde, en Ataca geeft die wetenschappers de informatie die ze nodig hebben om high-impact onderzoek op dit gebied uit te voeren. Hun theoretische werk biedt betrouwbare informatie over welke nieuwe materialen wenselijke eigenschappen kunnen hebben voor een reeks toepassingen en in een stabiele vorm in de natuur zouden kunnen bestaan. In een recent artikel gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces, ze gebruikten geavanceerde computermodelleringstechnieken om de eigenschappen te voorspellen van 2D-materialen die nog niet in het echte leven zijn gemaakt.

"We proberen meestal een jaar of vijf voor op experimentatoren te blijven, " zegt Wijnen. Op die manier, ze kunnen voorkomen dat ze naar dure doodlopende wegen gaan. "Dat is tijd, poging, en geld dat ze aan andere dingen kunnen besteden."

De perfecte mix

Het nieuwe artikel richt zich op de stabiliteit en eigenschappen van 2D-materialen die groep III-nitriden worden genoemd. Dit zijn mengsels van stikstof en een element uit groep III op het periodiek systeem, waaronder aluminium, gallium, indium, en boor.

Sommige van deze 2D-materialen hebben wetenschappers al in kleine hoeveelheden gemaakt. In plaats van te kijken naar mengsels van een van de groep III-elementen met stikstof, echter, Wijnen en Ataca-gemodelleerde legeringen - mengsels met stikstof en twee verschillende groep III-elementen. Bijvoorbeeld, ze voorspelden de eigenschappen van materialen gemaakt van voornamelijk aluminium, maar met wat gallium toegevoegd, of meestal gallium, maar met wat indium toegevoegd.

Deze "tussenliggende" materialen kunnen intermediaire eigenschappen hebben die nuttig kunnen zijn in bepaalde toepassingen. "Door dit legeren, we kunnen zeggen, Ik heb oranje licht, maar ik heb materialen die rood licht en geel licht kunnen absorberen, ", zegt Ataca. "Dus hoe kan ik dat mengen zodat het het oranje licht kan absorberen?" Het afstemmen van het lichtabsorptievermogen van deze materialen zou de efficiëntie van zonne-energiesystemen kunnen verbeteren, bijvoorbeeld.

Legeringen van de toekomst

Ataca en Wines keken ook naar de elektrische en thermo-elektrische eigenschappen van materialen. Een materiaal heeft een thermo-elektrisch vermogen als het elektriciteit kan opwekken als de ene kant koud is en de andere kant heet. De basisgroep III nitriden hebben thermo-elektrische eigenschappen, "maar bij bepaalde concentraties, de thermo-elektrische eigenschappen van legeringen zijn beter dan de basisgroep III nitriden, ', zegt Ataca.

Wijnen voegt toe, "Dat is de belangrijkste motivatie om het legeren te doen - de afstembaarheid van de eigenschappen."

Ze toonden ook aan dat niet alle legeringen in het echte leven stabiel zouden zijn. Bijvoorbeeld, mengsels van aluminium en boor in elke concentratie waren niet stabiel. Echter, vijf verschillende verhoudingen van gallium-aluminium mengsels waren stabiel.

Zodra de productie van de nitriden van basisgroep III betrouwbaarder wordt en wordt opgeschaald, Wines en Ataca verwachten dat wetenschappers werken aan de engineering van de materialen voor specifieke toepassingen met hun resultaten als leidraad.

Terug naar de basis...met supercomputers

Wines en Ataca hebben de eigenschappen van de materialen gemodelleerd met behulp van supercomputers. In plaats van experimentele gegevens te gebruiken als input voor hun modellen, "We gebruiken de basis van de kwantummechanica om deze eigenschappen te creëren. Dus het goede is dat we geen experimentele vooroordelen hebben, ", zegt Ataca. "We werken aan dingen waar nog geen experimenteel bewijs voor is. Dit is dus een betrouwbare aanpak."

Om de meest nauwkeurige resultaten te krijgen, is enorme hoeveelheden rekenkracht nodig en duurt het lang. Het uitvoeren van hun modellen op het hoogste nauwkeurigheidsniveau kan enkele dagen duren.

"Het is een beetje alsof je een verhaal vertelt, " zegt Wines. "We doorlopen het meest basale niveau om de materialen te screenen, " wat slechts ongeveer een uur duurt. "En dan gaan we naar de hoogste niveaus van nauwkeurigheid, met behulp van de krachtigste computers, om de meest nauwkeurige parameters mogelijk te vinden."

"Ik denk dat het mooie van deze studies is dat we bij de basis begonnen en we letterlijk naar het meest nauwkeurige niveau in ons vakgebied gingen, "Ataca vult aan. "Maar we kunnen altijd om meer vragen."

Een nieuwe grens

Ze zijn verder gegaan op onbekend wetenschappelijk terrein. In een ander blad, gepubliceerd binnen een week na de eerste in ACS toegepaste materialen en interfaces , Theodosia Gougousi, hoogleraar natuurkunde; Jaron Kropp, doctoraat '20, natuurkunde; en Ataca demonstreerden een manier om 2D-materialen te integreren in echte apparaten.

2D-materialen moeten vaak worden bevestigd aan een elektronisch circuit in een apparaat. Er is een tussenlaag nodig om die verbinding te maken - en het team heeft er een gevonden die werkt. "We hebben een molecuul dat dit kan, die een verbinding kunnen maken met het materiaal, om het te gebruiken voor externe circuittoepassingen, ', zegt Ataca.

Dit resultaat is van groot belang voor de implementatie van 2D-materialen. "Dit werk combineert fundamenteel experimenteel onderzoek naar de processen die plaatsvinden op het oppervlak van 2-D atomaire kristallen met gedetailleerde computationele evaluatie van het systeem, " zegt Gougousi. "Het biedt richtlijnen aan de apparatengemeenschap, zodat ze nieuwe materialen met succes kunnen integreren in traditionele apparaatarchitecturen."

Samenwerking tussen disciplines

De theoretische analyses voor dit werk vonden plaats in Ataca's lab, en de experimenten vonden plaats in het laboratorium van Gougousi. Kropp werkte in beide groepen.

"Het project is een voorbeeld van de synergie die nodig is voor de ontwikkeling en vooruitgang van wetenschap en technologie, " zegt Gougousi. "Het is ook een goed voorbeeld van de kansen die onze afgestudeerde studenten hebben om te werken aan problemen van groot technologisch belang, en om een ​​brede kennisbasis en een unieke reeks technische vaardigheden te ontwikkelen."

Kropp, wie is de eerste auteur van het tweede artikel, is verheugd deze onderzoekservaring te hebben gehad.

"2-D halfgeleiders zijn opwindend omdat ze het potentieel hebben voor toepassingen in niet-traditionele elektronische apparaten, zoals draagbare of flexibele elektronica, omdat ze zo dun zijn, "zegt hij. "Ik had het geluk twee uitstekende adviseurs te hebben, omdat ik hierdoor het experimentele en theoretische werk naadloos kon combineren. Ik hoop dat de resultaten van dit werk andere onderzoekers kunnen helpen om nieuwe apparaten te ontwikkelen op basis van 2D-materialen."