National University of Singapore (NUS) forskare har skapat ett helt nytt bibliotek av atomärt tunna tvådimensionella (2-D) material, döpt "ic-2-D, " för att beteckna en klass av material baserade på självinterkalering av inhemska atomer i gapet mellan lagren av kristaller.

Atomtunna tvådimensionella (2D) material erbjuder en utmärkt plattform för att utforska ett brett utbud av spännande egenskaper i begränsade 2D-system. Dock, kompositionsjustering av övergångsmetalldikalkogenider för att göra nya material andra än de vanliga binära eller ternära föreningarna är utmanande. Förr, teoretiker har försökt förutsäga nya egenskaper baserade på att kombinera atomer till en kristallstruktur där metall- och kalkogenatomer sitter på kovalent bundna platser inom den grundläggande byggstenen (enhetscellen). Dock, deras teorier tog inte upp situationen när samma metallatom sitter mellan två enhetsceller (fyller van der Waals gap).

Nu, forskarlag under ledning av professor Kian Ping LOH från Institutionen för kemi, Naturvetenskapliga fakulteten, NUS och samarbetspartner professor Stephen J. PENNYCOOK från institutionen för materialvetenskap och teknik, Ingengörsfacilitet, NUS, har syntetiserat och karaktäriserat för första gången, en atlas av atomärt tunna ic-2-D-material i wafer-skala baserad på att sätta in samma metallatomer mellan van der Waals-gapet av dikalkogenider av övergångsmetall.

Genom att observera tillväxt under förhållanden där metallatomerna överstiger kalkogenerna (till exempel svavel (S), selen (Se), Tellur (Te)), över 10 olika typer av ic-2-D-material har experimentellt upptäckts av teamet. Mer spännande, ferromagnetism upptäcktes i vissa faser. Dessutom, Teoretiska beräkningar med hög genomströmning visar att självinterkalationsmetoden är tillämpbar på en stor klass av 2-D skiktade material. Det betyder att det finns ett nytt bibliotek med ic-2-D-material som väntar på att bli upptäckt.

Prof Loh sa, "Denna nya metod för att konstruera sammansättningen av en bred klass av övergångsmetalldikalkogenider, erbjuder en kraftfull metod för att omvandla skiktade 2D-material till ultratunna, kovalent bundna ic-2-D-kristaller med ferromagnetiska egenskaper. Huvudprincipen är tillämpningen av metallatomer med hög kemisk potential för att ge drivkraften för interkalation under tillväxt. Denna teknik förväntas vara kompatibel med de flesta materialtillväxtmetoder."

"Om vi ​​skarvar två lager av övergångsmetalldikalkogenid lite isär, vi kan se att kalkogensajterna har slitsar som en ägghållare. Ett annat lager av metallatomer kan uppta slitsarna på samma sätt som vi kan ordna ägg i ägghållaren. Detta är magin med ic-2-D material, " tillade prof Pennycook.

Dr ZHAO Xiaoxu, tidningens första författare, upptäckte och atomärt avslöjade dessa nya material genom att använda atomupplösning scanning transmissionselektronmikroskopi, och fann att interkalerade metallatomer konsekvent upptar de oktaedriska vakanserna inuti van der Waals-gapet vilket resulterar i distinkta topografiska mönster beroende på interkalationskoncentrationerna. På grund av den unika toplogin, ferromagnetismen kan induceras av den dubbla utbytesmekanismen, utlöses av laddningsöverföringen från interkalerad metall till orörd metall.

Prof Loh kommenterade, "Med mångsidighet i kompositionskontroll, vi har visat att det är möjligt att stämma, i en klass av material, egenskaper som kan variera från ferromagnetiska till icke-ferromagnetiska, och snurrfrustrerade Kagome-galler. Denna upptäckt presenterar ett rikt landskap av ultratunna 2-D-material som väntar på ytterligare upptäckt av nya egenskaper."

Nästa, teamen planerar att införliva detta nya materialbibliotek i minnesenheter, för praktiska tillämpningar, och interkalera främmande atomer i van der Waals-gapet och utnyttja nya funktionaliserade ic-2-D-material.