Perfektion är inte allt, enligt ett internationellt team av forskare vars 2-D materialstudie visar att defekter kan förbättra materialets fysiska, elektrokemisk, magnetisk, energi och katalytiska egenskaper.

"Elektroniska enheter, som transistorer, är vanligtvis gjorda av relativt skrymmande staplade metallskikt, oxider och kristallina halvledare, "sade Shengxi Huang, biträdande professor i elektroteknik, Penn State. "Vi skulle vilja göra dem med tvådimensionella material så att de kan bli snabbare, mindre och mer flexibel. "

Att göra detta, forskarna tittar på molybdensulfid enda atomlager. De rapporterar resultaten av sin undersökning i ett nyligen publicerat nummer av ACS Nano .

Molybdensulfid är en molekyl som består av en molybdenatom med två svavelatomer fästa. Molekylerna ligger i linje med molybden i mitten och svavelatomerna på toppen och botten när de bildar en 2-D, ett lager, filma. Dessa filmer placerades på en mängd olika underlag - guld, ettlagers grafen, sexkantiga bornitrid och ceriumdioxid - och bestrålade för att skapa defekter i gitterstrukturen.

Att skapa 2-D-material är inte en perfekt tillverkningsprocess och defekter är alltid närvarande i gallret. Forskarna ville bestämma hur dessa defekter förändrade de fysiska och elektrokemiska egenskaperna hos molybdensulfiden. Bestrålning gör att en del av molybdensulfiden tappar en svavelatom från ytan. Med dessa mindre än perfekta filmer, forskarna kunde se hur materialen förändrades med hjälp av olika mikroskop och spektroskopier.

Simuleringar av gitterdefekter gjorde det möjligt för forskarna att manipulera materialen och producera strukturer som matchade de experimentellt defekta filmerna. De fann att materialegenskapsresultaten från deras simuleringar matchade deras experimentella resultat.

"Vi fann att svaveldefekterna förbättrade materialets fysiska egenskaper, "sa Huang." Genom att välja platser och antal defekter, vi borde kunna justera materialets bandstruktur, förbättra sin elektroniska kapacitet. "

Experimentellt, forskarna fann att många fler svavelatomer går förlorade än molybdenatomer, eftersom svavel finns på ytorna och molybden är skyddad i mitten. De noterade också att eftersom så många svavelatomer lämnar materialet, de defekter som orsakas av avsaknaden av svavel överväger alla effekter frånvaron av ett molybden i gallret kan ha.

Undersöker hur olika substrat förbättrade eller inte förbättrade egenskaperna hos det tvådimensionella materialet, forskarna fann att "substraten kan justera de elektroniska energinivåerna i molybdensulfid på grund av laddningsöverföring vid gränssnittet." Substratets materialegenskaper förändrar också egenskaperna hos det tvådimensionella enkelskiktet. Ceriumdioxid, eftersom det är en oxid, förändrade materialets elektriska egenskaper annorlunda än de andra substraten.

Mindre, snabbare och mer flexibel elektronik är inte det enda möjliga resultatet av att ställa in dessa 2-D-material.

"Om vi ​​har rätt mängd svavel vakanser, vi kan förbättra kemiska processer som väteutveckling från vatten, sa Huang.

Material som molybdensulfid används som katalysatorer i kemiska reaktioner. Huang hänvisar till klyvning av vatten, en process som används för att skapa gasformigt väte och syre från flytande vatten där korrekt defekt molybdensulfid kan förbättra processen och minska mängden energi och kostnader som behövs och öka mängden väte som produceras.

Molybden är en övergångsmetall och andra medlemmar i denna atomgrupp bildar också molekyler som kallas dikalkogenider. Dessa inkluderar volfram, niob, zirkonium, titan och tantal och de bildar lager med svavel och andra kalkogenider som selen och tellur. Andra dikalkogenider kan göras till 2-D-material och kan också vara avstämbara för att förbättra deras egenskaper.