Wetenschappers onderzoeken nieuwe manieren om tweedimensionale (2D) materialen kunstmatig te stapelen en introduceren zogenaamde 2.5D-materialen met unieke fysieke eigenschappen. Onderzoekers in Japan hebben de nieuwste ontwikkelingen en toepassingen van 2.5D-materialen beoordeeld in het tijdschrift Science and Technology of Advanced Materials .

"Het 2.5D-concept symboliseert vrijheid van de compositie, materialen, hoeken en ruimte die typisch worden gebruikt in 2D-materiaalonderzoek", legt nanomaterialenwetenschapper en hoofdauteur Hiroki Ago van de Kyushu University in Japan uit.

2D-materialen, zoals grafeen, bestaan ​​uit een enkele laag atomen en worden gebruikt in toepassingen zoals flexibele aanraakpanelen, geïntegreerde schakelingen en sensoren.

Onlangs zijn er nieuwe methoden geïntroduceerd om het mogelijk te maken om 2D-materialen kunstmatig verticaal, in het vlak of in gedraaide hoeken te stapelen, ongeacht hun composities en structuren. Dit is te danken aan het vermogen om de Van der Waals-krachten te beheersen:zwakke elektrische interacties tussen atomen en moleculen, vergelijkbaar met de aantrekking van stof door een microvezeldoek. Het is nu ook mogelijk om 2D-materialen te integreren met andere dimensionale materialen, zoals ionen, nanobuisjes en bulkkristallen.

Een veelgebruikte methode voor het vervaardigen van 2.5D-materialen is chemische dampafzetting (CVD), waarbij een laag, één atoom of molecuul tegelijk, op een vast oppervlak wordt afgezet. Veelgebruikte bouwstenen voor 2.5D-materialen zijn grafeen, hexagonaal boornitride (hBN) (een verbinding die wordt gebruikt in cosmetica en luchtvaart) en overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC's) (een halfgeleider van nanobladen).

Met behulp van de CVD-methode synthetiseerden onderzoekers selectief een dubbellaag van grafeen, de eenvoudigste vorm van een 2.5D-materiaal, met behulp van een koper-nikkelfolie met een relatief hoge nikkelconcentratie als katalysator. Nikkel maakt koolstof zeer oplosbaar, waardoor onderzoekers meer controle hebben over het aantal grafeenlagen. Toen een elektrisch veld verticaal over de dubbellaag van grafeen werd aangelegd, opende het een band gap, wat betekent dat de geleidbaarheid ervan kan worden in- en uitgeschakeld. Dit is een fenomeen dat niet wordt waargenomen in monolaag grafeen omdat het geen band gap heeft en altijd aan blijft. Door de stapelhoek één graad te kantelen, ontdekten wetenschappers dat het materiaal supergeleidend werd.

Evenzo ontdekte een andere groep in het VK en de VS dat een laag grafeen en hBN resulteert in het kwantum Hall-effect, een geleidingsfenomeen waarbij een magnetisch veld betrokken is dat een potentiaalverschil produceert. Anderen toonden aan dat het stapelen van TMDC's excitonen (elektronen gekoppeld aan hun bijbehorende gaten in een gebonden toestand) in de overlappende roosterpatronen opsluit. Dit kan leiden tot toepassingen in apparaten voor informatieopslag. Nieuwe robotische assemblagetechnieken hebben het ook mogelijk gemaakt om complexere verticale structuren te bouwen, waaronder een gestapelde heterostructuur bestaande uit bijvoorbeeld 29 afwisselende lagen grafeen en hBN.

Ander onderzoek heeft de nanoruimten gebruikt die zich vormen tussen de lagen van een 2.5D-materiaal om moleculen en ionen in te voegen om de elektrische, magnetische en optische eigenschappen van het gastheermateriaal te verbeteren.

Tot nu toe hebben onderzoekers bijvoorbeeld ontdekt dat grafeen ijzerchloride stabiliseert wanneer het tussen de gestapelde lagen wordt ingebracht, terwijl het inbrengen van lithiumionen leidt tot een snellere diffusiesnelheid (hoe snel moleculen zich in een gebied verspreiden) dan die van grafiet, een elektrische geleider gebruikt in batterijen. Dit houdt in dat het materiaal kan worden gebruikt in hoogwaardige oplaadbare batterijen.

Bovendien ontdekten onderzoekers dat het invoegen van aluminiumchloridemoleculen tussen twee grafeenplaten leidt tot de vorming van nieuwe kristallijne structuren die volledig verschillen van het bulkaluminiumchloridekristal. Er is meer onderzoek nodig om te begrijpen waarom dit gebeurt en welke toepassingen het kan hebben.

"Er zijn veel mogelijkheden om te verkennen met dit nieuwe 2.5D-concept", zegt Ago.

Toekomstige toepassingen van 2.5D-materialen zijn onder meer zonnecellen, batterijen, flexibele apparaten, kwantumapparaten en apparaten met een zeer laag energieverbruik.

De volgende stappen moeten machine learning, deep learning en materiaalinformatica omvatten om het ontwerp en de synthese van 2.5D-materialen verder te bevorderen. + Verder verkennen

Nieuwsbericht:Nieuw onderzoek onthult onverwachte zachtheid van dubbellaags grafeen