Bildande av 1D-kanaler. en, Schematisk över mönstringsprocessen styrd av misspassade dislokationer (markerade som 'T') vid MoS2-WSe2 lateral heterojunction. b, c, ADF-STEM-bilder med atomupplösning överlagrade med deras εxx stamkartor (se fig. 2 för mer detaljer) som identifierar de periodiska dislokationerna vid gränssnittet mellan MoS2 och WSe2 (b) och 1D-kanalerna som skapas av kemiskt driven migrering av gränssnittsdislokationerna som ytterligare S- och Mo-atomer tillsätts (c). Stamkartor hänvisar till WSe2-gittret. Kreditera: Naturmaterial (2017). doi:10.1038/nmat5038
"Tvådimensionella material" - material som deponeras i lager som bara är några få atomer tjocka - är lovande för både högpresterande elektronik och flexibla, transparent elektronik som kan läggas på fysiska ytor för att göra datoranvändning allmänt förekommande.
Det mest kända 2D-materialet är grafen, som är en form av kol, men nyligen har forskare undersökt andra 2D-material, såsom molybdendisulfid, som har sina egna, tydliga fördelar.
Producerar användbar elektronik, dock, kräver att flera 2D-material integreras i samma plan, vilket är en tuff utmaning. 2015, forskare vid King Abdullah University i Saudiarabien utvecklade en teknik för att deponera molybdendisulfid (MoS2) bredvid volframdiselenid (WSe2), med en mycket ren förbindelse mellan de två materialen. Med en variation av tekniken, forskare vid Cornell University fann då att de kunde inducera långa, raka ledningar av MoS2 – bara några få atomer i diameter – för att sträcka sig in i WSe2, samtidigt som den rena korsningen bevaras.
Forskarna kontaktade Markus Buehler, McAfee professor i teknik vid MIT:s avdelning för civil- och miljöteknik, som är specialiserad på modeller av sprickutbredning på atomnivå, för att se om hans grupp kunde hjälpa till att förklara detta märkliga fenomen.
I senaste numret av Naturmaterial , kungen Abdullah, Cornell, och MIT forskarteam med kollegor vid Academia Sinica, den taiwanesiska nationella forskningsakademin, och Texas Tech University för att beskriva både materialavsättningsmetoden och mekanismen som ligger bakom bildandet av MoS2 nanotrådarna, som MIT-forskarna kunde modellera beräkningsmässigt.
"Tillverkningen av nya 2D-material är fortfarande en utmaning, " Buehler säger. "Upptäckten av mekanismer genom vilka vissa önskade materialstrukturer kan skapas är nyckeln till att flytta dessa material mot tillämpningar. I denna process, det gemensamma arbetet med simulering och experiment är avgörande för att göra framsteg, speciellt genom att använda modeller på molekylär nivå av material som möjliggör nya designriktningar."
Uppbunden
Förmågan att skapa långa, tunna MoS2-kanaler i WSe2 kan ha ett antal tillämpningar, säger forskarna.
En liten obalans mellan de hexagonala strukturerna av molybdendisulfid och volframdiselenid skapar en stam som kan frigöras genom bildandet av en "5|7-dislokation, " där två hexagoner kollapsar för att bilda en pentagon och en heptagon. Reaktioner med molybdendisulfid i miljön gör att dislokationen rör sig djupare in i volframdiseleniden, dra en nanotråd av molybdendisulfid bakom sig. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
"Baserat på [materialets] elektriska egenskaper och optiska egenskaper, människor tittar på att använda MoS2 och WSe2 för solceller eller för vattendelning baserat på solljus, " säger Gang Seob Jung, en MIT doktorand i civil- och miljöteknik och en medförfattare på den nya uppsatsen. "Det mesta av det intressanta händer i gränssnittet. När du inte bara har ett gränssnitt - om det finns många nanotrådsgränssnitt - kan det förbättra effektiviteten hos en solcell, även om det är ganska slumpmässigt."
Men den teoretiska förklaringen av den molekylära mekanismen som ligger bakom nanotrådarnas bildning väcker också hoppet om att deras bildning skulle kunna kontrolleras, för att möjliggöra sammansättning av elektroniska komponenter i atomskala.
"Två-D material, en av de mest lovande kandidaterna för framtida elektronik, slutligen måste slå kiselbaserade enheter, som redan har uppnått några nanometer i storlek, " säger Yimo Han, en Cornell doktorand i kemi och första författare på pappret. "Två-D-material är de tunnaste i vertikal riktning men spänner fortfarande över ett ganska stort område i sidmåtten. Vi gjorde de tunnaste dislokationsfria kanalerna i 2-D-material, vilket är ett stort steg mot subnanometer elektroniska enheter av 2D-material."
Utbredningspolygoner
I en 2D-kristall, både MoS2 och WSe2 ordnar sig naturligtvis i sexhörningar där elementen - molybden och svavel eller volfram och selen - växlar. Tillsammans, dessa hexagoner producerar ett bikakemönster.
Cornell-forskarnas tillverkningsteknik bevarar detta bikakemönster över korsningen mellan material, en sällsynt bedrift och en som är mycket användbar för elektronikapplikationer. Deras teknik använder kemisk ångavsättning, där ett substrat - i det här fallet, safir – utsätts för gaser som bär kemikalier som reagerar för att producera önskat material.
De naturliga storlekarna på MoS2- och WSe2-hexagonerna är något olika, dock, så deras integration sätter en belastning på båda kristallerna, särskilt nära deras korsning. Om ett par WSe2-hexagoner precis vid MoS2-korsningen omvandlas till en hexagon matchad med en heptagon (en sjusidig polygon), det släpper påfrestningen.
Denna så kallade 5|7-dislokation skapar en plats där en MoS2-partikel kan fästa sig. Den resulterande reaktionen infogar en molybdenatom i pentagonen, producerar en sexkant, och bryter upp heptagonen. Svavelatomer fäster sedan till heptagonen för att bilda ytterligare en 5|7-dislokation. När denna process upprepas, 5 | 7 dislokationen rör sig djupare in i WSe2 -territoriet, med en nanotråd som sträcker sig bakom den. Mönstret i vilket belastningen på de inmatchade hexagonerna slappnar av och återkommer säkerställer att dislokationen fortskrider längs en rak linje.
