Tweedimensionaal, gelaagde materialen zijn veelbelovend voor een aantal toepassingen, zoals alternatieve platforms voor de volgende generatie logische en geheugenapparaten en flexibele energieopslagapparaten. Er is nog veel, echter, dat blijft onbekend over hen.

Twee studies uit het lab van Judy Cha, de Carol en Douglas Melamed Associate Professor of Mechanical Engineering &Materials Science en lid van het Yale West Campus Energy Sciences Institute, beantwoord enkele cruciale vragen over deze materialen. Beide studies werden gefinancierd met subsidies van het Army Research Office (ARO), een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command, en zijn gepubliceerd in Geavanceerde elektronische materialen.

In één krant, Cha en haar team van onderzoekers, in samenwerking met de scheikundeprofessoren van Yale Nilay Hazari en Hailiang Wang, heeft experimenteel de precieze dopingeffecten van kleine moleculen op 2D-materialen gemeten - een eerste stap in de richting van het afstemmen van moleculen voor het moduleren van de elektrische eigenschappen van 2D-materialen. In het proces om dit te doen, ze bereikten ook een zeer hoge dopingconcentratie.

Doping:het toevoegen van onzuiverheden zoals boor of fosfor aan silicium, is bijvoorbeeld essentieel voor de ontwikkeling van halfgeleiders. Het maakt het mogelijk om de dragerdichtheden - het aantal elektronen en andere ladingsdragers - af te stemmen om een ​​functioneel apparaat te produceren. Conventionele dopingmethoden, echter, zijn vaak te energie-intensief en mogelijk schadelijk om goed te werken voor 2D-materialen.

In plaats daarvan, omdat 2D-materialen vrijwel alle oppervlakken zijn, onderzoekers kunnen kleine moleculen, bekend als organische elektronendonoren (OED), op de oppervlakken strooien, en activeer de 2D-materialen - dat wil zeggen, oppervlaktefunctionaliteit creëren. Dankzij de organische chemie de methode is opmerkelijk effectief. Het verruimt ook enorm de keuze voor het gebruikte materiaal. Voor deze studie is Cha gebruikte molybdeendisulfide (MoS ₂ ).

Echter, deze materialen verder te optimaliseren, onderzoekers hebben een grotere mate van precisie nodig. Ze moeten weten hoeveel elektronen elk molecuul van de OED doneert aan het 2D-materiaal, en hoeveel moleculen er in totaal nodig zijn.

"Door het zo te doen, we kunnen vooruit gaan en goed ontwerpen, weten hoe de moleculen moeten worden aangepast en vervolgens de dragerdichtheden kunnen verhogen, ' zei Cha.

Om deze kalibratie uit te voeren, Cha en haar team gebruikten atoomkrachtmicroscopie bij de Imaging Core op de West Campus van Yale. Voor hun materiaal ze bereikten een doteringsefficiëntie van ongeveer één elektron per molecuul, waardoor ze het hoogste dopingniveau ooit in MoS2 konden demonstreren. Dit was alleen mogelijk door de precieze metingen die werden uitgevoerd.

"Nu we de dopingkracht kennen, we zijn niet langer in de donkere ruimte van niet weten waar we zijn, "zei ze. "Vroeger, we konden doping gebruiken, maar wisten niet hoe effectief die doping is. Nu hebben we een aantal doelelektronendichtheden die we willen bereiken en we hebben het gevoel dat we weten hoe we daar moeten komen."

In een tweede paper, Cha's team keek naar de effecten van mechanische belasting op de bestelling van lithium in lithium-ionbatterijen.

Huidige commerciële lithium-ionbatterijen gebruiken grafiet als anode. Wanneer lithium wordt ingebracht in de openingen tussen grafeenlagen waaruit grafiet bestaat, de gaten moeten groter worden om plaats te maken voor de lithiumatomen.

"Dus we vroegen 'Wat als je deze uitbreiding stopt?'", zei Cha. "We ontdekten dat lokale belasting de volgorde van de lithiumionen beïnvloedt. De lithiumionen worden effectief vertraagd."

Wanneer er een spanningsenergie is, lithium kan niet meer zo vrij bewegen als voorheen, en er is meer energie nodig om het lithium in zijn voorkeursconfiguratie te dwingen.

Door de exacte effecten van de rekenergie te berekenen, Het onderzoeksteam van Cha kon precies aantonen hoeveel de lithiumatomen vertragen.

Het onderzoek heeft bredere implicaties, vooral als het veld weggaat van lithiumbatterijen ten gunste van batterijen die zijn gemaakt van andere, gemakkelijker verkrijgbare materialen, zoals natrium of magnesium, die ook voor oplaadbare batterijen kan worden gebruikt.

"Natrium en magnesium zijn veel groter, dus de kloof moet veel groter worden in vergelijking met lithium, dus de effecten van spanning zullen veel dramatischer zijn, " zei ze. De experimenten in de studie bieden een soortgelijk begrip van de effecten die mechanische belasting op deze andere materialen zou kunnen hebben.

ARO-onderzoekers zeiden dat Cha's studies zeer nuttig zullen zijn bij het bevorderen van hun eigen werk.

"De resultaten die zijn verkregen in deze twee onderzoeken met betrekking tot nieuwe tweedimensionale materialen zijn van groot belang voor de ontwikkeling van toekomstige geavanceerde legertoepassingen op het gebied van detectie en energieopslag, " zei Dr. Pani Varanasi, afdelingschef, ARO.