Gewoonlijk vertonen alleen een atoomdikke 2D-materialen zeer wenselijke eigenschappen voor geavanceerde technologieën, zoals flexibiliteit, supergeleiding en meer. Gemaakt van zorgvuldige overgang van afzonderlijke componenten van gas of damp naar kristallijne vaste stoffen, zijn dergelijke materialen en de mechanismen waardoor ze doordrenkt raken met dergelijke kenmerken nog steeds in nevelen gehuld.

Nu hebben onderzoekers onder leiding van Toshiaki Kato van Tohoku University, door middel van een nieuwe monitoring- en analysemethode, een cruciaal mechanisme onthuld in de ontwikkeling van 2D-monolaag overgangsmetaal dichalcogenide (TMD). Ze publiceerden hun aanpak en bevindingen op 15 november in Scientific Reports .

"TMD behoort tot de meest bekende gelaagde materialen", zegt papierauteur Toshiaki Kato, universitair hoofddocent bij de afdeling Electronic Engineering aan de Tohoku University, en merkt op dat grote enkele lagen van het materiaal mogelijk worden gemaakt door de toevoeging van zouten. "Het verbeteren van de kwaliteit van TMD is nodig om toekomstige flexibele en transparante elektrische apparaten te realiseren, zoals sensoren, zonnecellen en lichtstralers."

TMD wordt ontwikkeld door een metaaloxidepoeder te verdampen en zouten toe te voegen. Conventionele benaderingen handhaven hoge temperaturen, waardoor de moleculen van de metaaloxide-zoutdamp zich direct herschikken tot een kristallijne vaste stof. Deze herschikking van moleculen staat bekend als nucleatie en groeit uit tot de monolaag TMD. Het verlagen van het smelt- en kookpunt van het metaaloxide verbetert deze overgang echter door de verdampte moleculen hun omgeving te laten oververzadigen en een vloeibare fase te produceren voordat ze in een vaste stof worden gerangschikt.

"Oververzadiging van metaaloxide in de dampfase bevordert de vorming van voorlopers in de vloeibare fase, bekend als de voorloperplas, die de groei van damp-vloeistof-vaste stof bevordert ten opzichte van conventionele groei in damp-vaste stof," zei Kato, erop wijzend dat de groeisnelheid van damp -vloeibaar-vast TMD is minstens twee ordes van grootte hoger dan dat van damp-vast TMD. "Ondanks deze vooruitgang is de kritische dynamiek van de kiemvormingsfase nog niet opgehelderd voor door zout ondersteunde groei; het bereiken hiervan is cruciaal voor zowel fundamentele als industriële toepassingen."

Om de kiemvorming van damp-vloeistof-vaste TMD beter te begrijpen, hebben de onderzoekers een beeldvormend monitoringsysteem opgezet van hoe de dampchemicaliën als een vaste stof worden afgezet in TMD-synthese.

"In deze studie realiseerden we de directe visualisatie van de faseovergang van vloeibare precursors naar vaste TMD door de chemische dampafzetting en geautomatiseerde beeldanalyse te volgen," zei Kato. "Door deze aanpak hebben we een nieuw nucleatiemechanisme gevonden."

Bij damp-vaste groei herschikken de moleculen van de damp zich direct in de vaste stof. De onderzoekers ontdekten dat de moleculen bij groei van damp-vloeistof-vaste stof een kiemvormingsproces in twee stappen doorlopen:de dampfasen in vloeibare druppeltjes, die zich vormen tot stabiele maar veranderlijke clusters. Naarmate de temperatuur verandert, vormen de molecuulclusters de kristallijne vaste stoffen.

"Een dergelijk gedetailleerd begrip van de TMD-nucleatiedynamiek kan nuttig zijn voor het bereiken van een perfecte structuurcontrole van TMD's, wat nuttig zou zijn voor toekomstige industriële toepassingen," zei Kato. "Onze uitgevonden methode voor het monitoren van chemische dampafzetting en geautomatiseerde beeldanalyse zou ook kunnen worden toegepast op andere nanomaterialen om hun kiemvormings- en groeimechanismen beter te begrijpen."

De onderzoekers zijn vervolgens van plan om het nieuw onthulde nucleatiemechanisme te gebruiken om TMD van ultrahoge kwaliteit te synthetiseren. + Verder verkennen

Orbitale ordening triggert nucleatie-groeigedrag van elektronen in een anorganische vaste stof