Wetenschappelijke studies die de meest basale processen beschrijven, hebben vaak de grootste impact op de lange termijn. Een nieuw werk van ingenieurs van Rice University zou er zo een kunnen zijn, en het is een gas, gas, gas voor nanomaterialen.

Rijstmaterialentheoreticus Boris Yakobson, afgestudeerde student Jincheng Lei en alumnus Yu Xie van Rice's Brown School of Engineering hebben onthuld hoe een populair 2D-materiaal, molybdeendisulfide (MoS ₂ ), ontstaat tijdens chemische dampafzetting (CVD).

Weten hoe het proces werkt, geeft wetenschappers en ingenieurs een manier om de bulkproductie van MoS . te optimaliseren ₂ en andere waardevolle materialen geclassificeerd als overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's), halfgeleidende kristallen die een goede gok zijn om een ​​thuis te vinden in elektronica van de volgende generatie.

Hun studie in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano richt zich op MoS ₂ 's "pre-geschiedenis, " specifiek wat er gebeurt in een CVD-oven zodra alle vaste ingrediënten op hun plaats zijn. CVD, vaak geassocieerd met grafeen en koolstofnanobuizen, is gebruikt om een ​​verscheidenheid aan 2D-materialen te maken door vaste voorlopers en katalysatoren te leveren die sublimeren tot gas en reageren. De chemie bepaalt welke moleculen uit het gas vallen en op een substraat neerslaan, zoals koper of siliconen, en assembleren tot een 2D-kristal.

Het probleem is dat als de oven eenmaal aanslaat, het is onmogelijk om de ingewikkelde keten van reacties in de chemische stoofpot in realtime te zien of te meten.

"Honderden laboratoria koken deze TMD's, zich totaal niet bewust van de ingewikkelde transformaties die plaatsvinden in de donkere oven, " zei Yakobson, de Karl F. Hasselmann Professor of Materials Science and Nano Engineering en een professor in de chemie. "Hier, we gebruiken kwantumchemische simulaties en analyses om te onthullen wat er is, in het donker, dat leidt tot synthese."

Yakobsons theorieën leiden er vaak toe dat experimentatoren zijn voorspellingen laten uitkomen. (Bijvoorbeeld, boor buckyballs.) Deze keer, het Rice lab bepaalde het pad molybdeenoxide (MoO ₃ ) en zwavelpoeder nemen om een ​​atomair dun rooster op een oppervlak af te zetten.

Het korte antwoord is dat er drie stappen nodig zijn. Eerst, de vaste stoffen worden gesublimeerd door verwarming om ze van vast naar gas te veranderen, inclusief wat Yakobson een "prachtig" ringmolecuul noemde, trimolybdeen nonaoxide (Mo ₃ O ₉ ). Tweede, de molybdeenbevattende gassen reageren met zwavelatomen onder hoge hitte, tot 4, 040 graden Fahrenheit. Derde, molybdeen- en zwavelmoleculen vallen naar de oppervlakte, waar ze kristalliseren in het jacks-achtige rooster dat kenmerkend is voor TMD's.

Wat er in de middelste stap gebeurt, was voor de onderzoekers het meest interessant. De simulaties van het laboratorium toonden aan dat een drietal hoofdreactanten in de gasfase de hoofdverdachten zijn bij het maken van MoS ₂ :zwavel, de ringachtige Mo ₃ O ₉ moleculen die zich vormen in aanwezigheid van zwavel en de daaropvolgende hybride van MoS ₆ dat het kristal vormt, daarbij overtollige zwavelatomen vrijgeven.

Lei zei dat de moleculaire dynamica-simulaties de activeringsbarrières lieten zien die moeten worden overwonnen om het proces voort te zetten, meestal in picoseconden.

"In onze moleculaire dynamica-simulatie, we vinden dat deze ring wordt geopend door zijn interactie met zwavel, die zuurstof aanvalt die verbonden is met de molybdeenatomen, "zei hij. "De ring wordt een ketting, en verdere interacties met de zwavelmoleculen scheiden deze keten in molybdeensulfidemonomeren. Het belangrijkste onderdeel is het breken van de ketting, die de hoogste energiebarrière overwint."

Dat besef kan laboratoria helpen het proces te stroomlijnen, zei Lei. "Als we precursormoleculen kunnen vinden met slechts één molybdeenatoom, we zouden de hoge barrière van het doorbreken van de ketting niet hoeven te overwinnen, " hij zei.

Yakobson zei dat de studie van toepassing zou kunnen zijn op andere TMD's.

"De bevindingen verhogen vaak empirische nano-engineering om een ​​fundamentele, door wetenschap geleide onderneming te worden, waar processen kunnen worden voorspeld en geoptimaliseerd, " hij zei, opmerkend dat hoewel de chemie algemeen bekend is sinds de ontdekking van TMD fullerenen in de vroege jaren '90, het begrijpen van de details zal de ontwikkeling van 2D-synthese bevorderen.

"Pas nu kunnen we de stapsgewijze chemie 'volgen', "Zei Yakobson. "Dat zal ons in staat stellen om de kwaliteit van 2D-materiaal te verbeteren, en ook kijken welke bijproducten van het gas nuttig kunnen zijn en onderweg kunnen worden opgevangen, het openen van kansen voor chemische technologie."