Ett tvärvetenskapligt team av forskare vid U.S. Naval Research Laboratory (NRL) visade att monolayer 2-D Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) - atomärt tunna halvledare - genomgår en förändring från halvledare till metallisk fas när de utsätts för luftburna kemiska ångor.

Teamet validerade optiska och elektroniska bevis för fasövergången och hur beteendet kan användas för att skapa en helt ny klass av kemiska ångsensorer. Denna nya klass av instrument är potentiellt känsligare än nuvarande toppmoderna modeller, och selektiv för specifika nervämnen och explosiva föreningar som är av stor oro på dagens slagfält.

Sedan upptäckten 2004-2005 att enskiktsfilmer av TMD:er kan isoleras från bulkmaterial på grund av den svaga mellanskiktsbindningen av atomer, känd som van der Waals bindning, dessa material fortsätter att avslöja nya och anmärkningsvärda beteenden och egenskaper.

"Dessa material är extremt lovande för kemiska ångavkänningsapplikationer eftersom materialets inneboende fåatomtjocklek avsevärt ökar deras känslighet för även den minsta ytstörning, " sa Dr. Adam L. Friedman, forskningsfysiker, Avdelningen för materialvetenskap och teknik. "Förutom det omedelbara intresset för grundforskning, eftersom denna speciella metod för att skapa fasövergång i TMD aldrig har observerats eller utforskats tidigare, den har stor potentiell tillämpning i en ny typ av fasbaserad, multifunktionell kemisk ångsensor."

Monolayer TMDs erbjuder möjliga framsteg inom teknik jämfört med nuvarande materialmodeller, som banar väg för billiga, flexibel, högpresterande enheter som utnyttjar sin unika ytdominerade funktionalitet.

Kemiskt förkortat MX2, där M är en övergångsmetall och X är en chalokogen, monolager TMD:erna inkluderar isolatorer, halvledare, metaller och andra typer av material, och inkluderar en mängd olika egenskaper som inte observeras i deras bulkmaterialekvivalenter. Vissa filmer reagerar selektivt genom en laddningsöverföringsprocess på en klass av analyter som inkluderar nervämnen, såsom giftigt ämne X (VX), En mikroskopisk mängd analyt som ligger på ytan av TMD fungerar som en elektrondonator och lokalt reduktionsmedel, vilket mätbart påverkar filmens konduktans.

NRL-teamet antog att vissa starka elektrondonatorkemiska analyter, som de som är relevanta för att känna av vissa nervämnen och sprängämnen, kan också ge tillräckligt med laddningsöverföring till TMD för att uppnå en fasförändring. För att testa deras hypotes, forskarna exponerade monolager TMD-filmer för starka elektrondonatorkemiska ånganalyter och övervakade dem för deras konduktans och optiska respons. De fann att konduktansresponsen från deras enheter upphörde efter måttlig exponering och den totala storleken på konduktansen ökade abrupt avsevärt det ögonblicket, vilket signalerade en fasförändring. Det optiska svaret bekräftade också en fasförändring.

Friedman sa, "Vi sammanställde en exceptionellt stor datamängd som inkluderade flera metoder för att mäta dessa typer av filmer och drog slutsatsen att beteendet som vi observerade inte beror på dopning och troligen beror på partiell, lokaliserade fasförändringar i de områden av TMD-filmen där svagt adsorberad analyt överför laddning till gittret."

Detta nyupptäckta beteende öppnar upp en helt ny möjlighet för lågeffekt, flexibel, mångsidiga kemiska ångsensorenheter. Om fasövergången kan utnyttjas för att direkt känna av starka elektrondonatoranalyter kommer det att skapa en helt ny kemisk ångavkännande modell. Det kommer att tillåta optiska mätningar av passiv typ att kombineras med, eller används separat från, aktiva konduktansmätningar för att identifiera analytångor, alla med samma enhet och användas som driftmekanism för en ny metod för att identifiera kemiska föreningar och förekomsten av farlig ånga.

Tidigare studier av liknande diffusionsfria fasförändringar har visat hastigheter i nanosekundområdet, och de tänkta enheterna kommer också att vara snabba, vilket kommer att överskrida den senaste tekniken i detekteringshastighet. Eftersom mängden laddning som krävs för att inducera en fasförändring i varje TMD-material är olika, en svit av samtidigt avkännande TMD-material kommer att tillåta olika styrka elektrondonatorer/acceptorer att detekteras och till och med identifieras med den nödvändiga redundansen för att minimera fel. På grund av deras låga utrymmesbehov och kostnader, dessa sensorer kan också enkelt kombineras med strömsensorer för att skapa ett ännu mer mångsidigt instrument för nuvarande Department of Defense (DoD)-plattformar.

Resultaten redovisas i juninumret 2017 av Natur Publishing Groups Vetenskapliga rapporter .