Het creëren van nieuwe materialen door lagen met unieke, gunstige eigenschappen te combineren lijkt een tamelijk intuïtief proces:stapel de materialen op elkaar en stapel de voordelen op. Dit is echter niet altijd het geval. Niet elk materiaal laat energie op dezelfde manier door het materiaal stromen, waardoor de voordelen van het ene materiaal ten koste gaan van het andere.

Met behulp van geavanceerde hulpmiddelen hebben wetenschappers van het Center for Functional Nanomaterials (CFN), een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) van het Brookhaven National Laboratory en het Institute of Experimental Physics van de Universiteit van Warschau een nieuwe gelaagde structuur gecreëerd met 2D-materialen die een unieke overdracht van energie en lading vertonen. Het begrijpen van de materiaaleigenschappen ervan kan leiden tot vooruitgang in technologieën zoals zonnecellen en andere opto-elektronische apparaten. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters .

2D-materialen:klein, maar krachtig

Overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's) zijn een klasse materialen die zijn gestructureerd als sandwiches met atomair dunne lagen. Het vlees van een TMD is een overgangsmetaal dat, zoals de meeste elementen, chemische bindingen kan vormen met elektronen op hun buitenste baan of schaal, evenals op de volgende schaal. Dat metaal zit ingeklemd tussen twee lagen chalcogenen, een categorie elementen die zuurstof, zwavel en selenium bevat.

Chalcogenen hebben allemaal zes elektronen in hun buitenste schil, waardoor hun chemische gedrag vergelijkbaar is. Elk van deze materiaallagen is slechts één atoom dik – een miljoenste van de dikte van een menselijke haarstreng – waardoor ze ook wel tweedimensionale (2D) materialen worden genoemd.

"Op atomair niveau krijg je deze unieke en afstembare elektronische eigenschappen te zien", zegt Abdullah Al-Mahboob, een Brookhaven-stafwetenschapper in de CFN Interface Science and Catalysis-groep. "TMD's zijn als een speeltuin van de natuurkunde. We verplaatsen energie van het ene materiaal naar het andere op atomair niveau."

Sommige nieuwe eigenschappen beginnen naar voren te komen uit materialen op deze schaal. Grafeen is bijvoorbeeld de 2D-versie van grafiet, het materiaal waarvan de meeste potloden zijn gemaakt. In een Nobelprijswinnend experiment gebruikten wetenschappers een stuk plakband om schilfers van grafiet af te trekken en zo een laag grafeen te bestuderen. De onderzoekers ontdekten dat grafeen op atomair niveau ongelooflijk sterk is:200 keer sterker dan staal in verhouding tot zijn gewicht. Bovendien is grafeen een uitstekende thermische en elektrische geleider en heeft het een uniek lichtabsorptiespectrum. Dit opende de deur naar het bestuderen van de 2D-vormen van andere materialen en hun eigenschappen.

2D-materialen zijn op zichzelf interessant, maar als ze gecombineerd worden, gebeuren er verrassende dingen. Elk materiaal heeft zijn eigen superkracht – het beschermt materialen tegen de omgeving, controleert de energieoverdracht, absorbeert licht in verschillende frequenties – en wanneer wetenschappers ze op elkaar beginnen te stapelen, creëren ze een zogenaamde heterostructuur. Deze heterostructuren zijn tot buitengewone dingen in staat en zouden op een dag kunnen worden geïntegreerd in toekomstige technologieën, zoals kleinere elektronische componenten en meer geavanceerde lichtdetectoren.

QPress:een experimenteel hulpmiddel dat uniek is in zijn soort

Hoewel de verkenning van deze materialen misschien is begonnen met zoiets eenvoudigs als een stuk plakband, zijn de hulpmiddelen die worden gebruikt om 2D-materialen te extraheren, isoleren, catalogiseren en bouwen behoorlijk geavanceerd geworden. Bij CFN is een heel systeem gewijd aan de studie van deze heterostructuren en de technieken die gebruikt zijn om ze te creëren:de Quantum Material Press (QPress).

"Het is moeilijk om de QPress met wat dan ook te vergelijken", zegt Suji Park, een stafwetenschapper van Brookhaven, gespecialiseerd in elektronische materialen. "Het bouwt een structuur laag voor laag op, zoals een 3D-printer, maar 2D-heterostructuren worden gebouwd volgens een geheel andere aanpak. De QPress creëert materiaallagen die een atoom of twee dik zijn, analyseert ze, catalogiseert ze en assembleert ze uiteindelijk. Robotica wordt gebruikt om deze ultradunne lagen systematisch te fabriceren om nieuwe heterostructuren te creëren."

De QPress heeft drie op maat gemaakte modules:de exfoliator, cataloger en stapelaar. Om 2D-lagen te creëren, gebruiken wetenschappers de exfoliator. Net als bij de handmatige plakbandtechniek heeft de exfoliator een gemechaniseerde rolconstructie die dunne lagen exfolieert van grotere bronkristallen met bedieningselementen die een soort precisie bieden die niet met de hand kan worden bereikt.

Eenmaal verzameld en gedistribueerd, worden de bronkristallen op een siliconenoxidewafel gedrukt en afgepeld. Vervolgens worden ze doorgegeven aan de catalogiseerder, een geautomatiseerde microscoop die verschillende optische karakteriseringstechnieken combineert. De catalogiseerder gebruikt machine learning (ML) om interessante vlokken te identificeren die vervolgens in een database worden gecatalogiseerd. Momenteel wordt ML getraind met alleen grafeengegevens, maar onderzoekers zullen verschillende soorten 2D-materialen blijven toevoegen. Wetenschappers kunnen deze database gebruiken om de materiaalvlokken te vinden die ze nodig hebben voor hun onderzoek.

Wanneer de benodigde materialen beschikbaar zijn, kunnen wetenschappers de stapelaar gebruiken om er heterostructuren van te maken. Met behulp van uiterst nauwkeurige robotica nemen ze de monstervlokken en rangschikken ze in de gewenste volgorde, onder elke noodzakelijke hoek, en brengen ze substraten over om de uiteindelijke heterostructuur te creëren, die voor later gebruik voor langere tijd in een monsterbibliotheek kan worden opgeslagen.

Het klimaat wordt gecontroleerd om de kwaliteit van de monsters te garanderen en het fabricageproces, van exfoliatie tot het bouwen van heterostructuren, wordt uitgevoerd in een inerte gasomgeving in een handschoenenkastje. De geëxfolieerde vlokken en de gestapelde monsters worden in vacuüm opgeslagen in de monsterbibliotheken van het QPress-cluster.

Bovendien zijn er aan de vacuümzijde van het cluster hulpmiddelen voor verdamping met elektronenstralen, uitgloeien en zuurstofplasma beschikbaar. Robotica wordt gebruikt om monsters van het ene gebied van de QPress naar het volgende door te geven. Maar als deze nieuwe heterostructuren eenmaal zijn gefabriceerd, wat doen ze dan eigenlijk en hoe doen ze dat?

Nadat het team van CFN deze fascinerende nieuwe materialen met de QPress had vervaardigd, integreerden ze de materialen met een reeks geavanceerde microscopie- en spectroscopie-instrumenten waarmee ze opto-elektronische eigenschappen konden onderzoeken zonder de monsters bloot te stellen aan lucht, wat de materiaalstructuren zou aantasten. Sommige van de delicate, exotische kwantumeigenschappen van 2D-materialen hebben ultralage cryotemperaturen nodig om te worden gedetecteerd, tot slechts een paar Kelvin. Anders raken ze verstoord door de geringste hoeveelheid hitte of door chemicaliën die in de lucht aanwezig zijn.

Dit platform zal geavanceerde microscopen, röntgenspectrometers en ultrasnelle lasers omvatten die de kwantumwereld bij cryo-temperaturen kunnen onderzoeken.

Betere structuren bouwen

Door gebruik te maken van de geavanceerde mogelijkheden van deze bronnen kon het team een ​​gedetailleerder beeld krijgen van hoe energieoverdracht over lange afstanden werkt in TMD's.

Energie wil zich over materialen bewegen, zoals iemand een ladder wil beklimmen, maar heeft een plek nodig om zich aan vast te houden. Bandgaps kunnen worden gezien als de ruimte tussen de sporten van een ladder. Hoe groter de kloof, hoe moeilijker en langzamer het is om te klimmen. Als de kloof te groot is, is het misschien niet eens mogelijk om de stijging te voltooien. Door gebruik te maken van materialen die al uitstekende geleidende eigenschappen hebben, kon dit gespecialiseerde team van wetenschappers ze stapelen op een manier die hun structuur benutte om trajecten te creëren die de lading efficiënter overbrengen.

Een van de TMD's die het team maakte was molybdeendisulfide (MoS₂ ), waarvan in eerdere onderzoeken werd aangetoond dat het een sterke fotoluminescentie heeft. Fotoluminescentie is het fenomeen dat ervoor zorgt dat bepaalde materialen in het donker gloeien nadat ze aan licht zijn blootgesteld. Wanneer een materiaal licht absorbeert met meer energie dan die energiebandafstand, kan het licht uitzenden met fotonenenergie gelijk aan de bandafstandenergie.

Als een tweede materiaal met een gelijke of lagere energiebandafstand dichter bij het eerste komt, zo dichtbij als een subnanometer tot enkele nanometers, kan energie niet-radiatief worden overgedragen van het eerste materiaal naar het tweede. Het tweede materiaal kan dan licht uitzenden met een fotonenenergie die gelijk is aan de energiebandafstand.

Met een isolerende tussenlaag gemaakt van hexagonaal boornitride (hBN), die elektronische geleidbaarheid verhindert, hebben wetenschappers een ongewoon soort energieoverdracht over lange afstanden waargenomen tussen deze TMD en een laag gemaakt van wolfraamdiselenide (WSe₂ ), dat elektriciteit zeer efficiënt geleidt. Het energieoverdrachtsproces vond plaats van de materialen met een lagere naar een hogere bandafstand, wat niet typerend is voor TMD-heterostructuren, waar de overdracht gewoonlijk plaatsvindt van de 2D-materialen met een hogere naar een lagere bandafstand.

De dikte van de tussenlaag speelde een grote rol, maar bleek ook de verwachtingen te trotseren. "We waren verrast door het gedrag van dit materiaal", zei Al-Mahboob. "De interactie tussen de twee lagen neemt tot op zekere hoogte toe met de toename van de afstand, en begint dan af te nemen. Variabelen zoals afstand, temperatuur en hoek speelden een belangrijke rol."

Door een beter inzicht te krijgen in de manier waarop deze materialen op deze schaal energie absorberen en uitstralen, kunnen wetenschappers deze eigenschappen toepassen op nieuwe soorten technologieën en de huidige verbeteren. Denk hierbij aan zonnecellen die licht effectiever absorberen en een betere lading vasthouden, fotosensoren met een hogere nauwkeurigheid en elektronische componenten die kunnen worden verkleind tot nog kleinere afmetingen voor compactere apparaten.

Meer informatie: Arka Karmakar et al., Excitatie-afhankelijke hooggelegen excitonische uitwisseling via energieoverdracht tussen de lagen van 2D-materiaal met lagere naar hogere bandafstand, Nanoletters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01127

Journaalinformatie: Nanobrieven

Geleverd door Brookhaven National Laboratory