Wetenschappers van het Skoltech Center for Energy Science and Technology (CEST) hebben een methode ontwikkeld om het gedrag van 2D-materialen onder druk te modelleren. Het onderzoek zal helpen bij het maken van druksensoren op basis van siliceen of andere 2D-materialen. De krant is gepubliceerd in de ACS Nano logboek.

Siliceen, die wordt beschouwd als de siliciumanaloog van grafeen, is een tweedimensionale allotroop van silicium. In zijn normale toestand, een bulksilicium is een halfgeleider met een structuur van het diamantkristaltype. Naarmate het dunner wordt tot een of meerdere lagen, de eigenschappen ervan veranderen drastisch. Echter, het is nog niet mogelijk geweest om de verandering in de elektronische eigenschappen van 2D-materialen bij hoge druk te bestuderen.

Wetenschappers uit Rusland, Italië, de Verenigde Staten, en België hebben een theoretische onderzoeksmethode ontwikkeld die steunt op kwantumchemie om de elektronische eigenschappen van 2D-materialen onder druk te bestuderen met siliceen als voorbeeld. In tegenstelling tot koolstof, die stabiel is in zowel 3D- als 2D-toestanden, siliceen is metastabiel en gemakkelijk in wisselwerking met de omgeving.

"Silicium is een halfgeleider in zijn bulktoestand en een metaal in de 2D-toestand. De eigenschappen van monolaag en meerlagig siliceen worden uitgebreid theoretisch bestudeerd. Siliceen is gegolfd in plaats van vlak vanwege de interacties tussen de naburige siliciumatomen. Een drukverhoging zou moeten siliceen afvlakken en de eigenschappen ervan veranderen, maar dit effect kan nog niet experimenteel worden onderzocht, " legt Skoltech-onderzoeker Christian Tantardini uit.

In de meeste gevallen, experimentele instrumenten die worden gebruikt om druk uit te oefenen op het materiaal langs de as loodrecht op het vlak, produceren tegelijkertijd compressie in de richtingen in het vlak van 2D-materiaal. Dus, de resulterende metingen zouden nauwelijks nauwkeurig zijn, dus op dit moment lijkt modellering de enige plausibele benadering.

"In ons geval, een nieuwe theoretische benadering was de enige oplossing. Omdat er maar in één richting druk wordt uitgeoefend, we simuleren de compressie van ons materiaal en proberen erachter te komen wat de reden is van de veranderingen in de elektronische structuur, rangschikking van siliciumatomen en hun hybridisatie onder verschillende drukken, en waarom de lagen plat worden, " Skoltech Senior Research Scientist Alexander Kvashnin merkt op.

Nauwkeurige voorspelling van het gedrag van siliceen of andere 2D-materialen onder druk zou van siliceen een veelbelovende kandidaat voor druksensoren maken. Wanneer geplaatst in de sensor, siliceen kan helpen bij het bepalen van de druk op basis van de reactie van het materiaal op compressie. Dit soort sensoren kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, in boorplatforms met een hoge vereiste voor drukregeling om de boorkracht te vergroten zonder de apparatuur te beschadigen.

"We gebruikten siliceen in onze modelstudie om de methode te testen die ook zou kunnen werken voor andere 2D-materialen, inclusief stabielere die al op grote schaal worden vervaardigd en gebruikt, bij nuldruk", zegt Xavier Gonze, een gasthoogleraar aan Skoltech en een professor aan de Université catholique de Louvain (UCLouvain) in België.