Genom att stå i vägen, fluoratomer hjälper ett tvådimensionellt material att omvandlas från en halvledare till en metall på ett sätt som kan vara mycket användbart för elektronik och andra applikationer.

En studie ledd av Rice materialforskaren Pulickel Ajayan och huvudförfattaren Sruthi Radhakrishnan beskriver en ny metod för att omvandla volframdisulfid från en halvledare till ett metalliskt tillstånd.

Andra labb har uppnått transformationen genom att lägga till element i materialet – en process som kallas doping – men förändringen har aldrig tidigare varit stabil. Tester och beräkningar på Rice visade fluorerande volframdisulfidlås i det nya tillståndet, som har unika optiska och magnetiska egenskaper.

Forskarna noterade också transformationens effekt på materialets tribologiska egenskaper - ett mått på friktion, smörjning och slitage. Kortfattat, tillsats av fluor gör materialet mer halt vid rumstemperatur.

Laboratoriets arbete är detaljerat i Avancerade material .

Volframdisulfid är en övergångsmetalldikalkogenid (TMD), en atomtjock halvledare. Till skillnad från grafen, som är ett platt gitter av kolatomer, en TMD innehåller två element, en en övergångsmetallatom (i detta fall, volfram) och den andra (svavel) ett kalkogen. Materialet är inte strikt platt; övergångsmetallskiktet är inklämt mellan kalkogenet, bildar ett treskiktigt galler.

TMD:er är potentiella byggstenar med andra 2D-material för energilagring, elektrokatalys och smörjning, som alla påverkas av den nu stabila fastransformationen.

Eftersom fluoratomer är mycket mindre än 0,6 nanometersutrymmet mellan skikten av volfram och svavel, forskarna sa att de invasiva atomerna fungerar sig emellan, störa materialets ordnade galler. Fluor gör att svavelplanen kan glida åt det ena eller det andra, och den resulterande handeln med elektroner mellan fluor och svavel står också för de unika egenskaperna.

"Det var verkligen en stor överraskning. När vi började det här arbetet, en fasomvandling var det sista vi förväntade oss att se." sa Radhakrishnan, en före detta doktorand i Ajayans labb och nu modulingenjör vid Intel Corp. i Hillsboro, Malm.

"Det är verkligen förvånande att friktionsegenskaperna hos fluorerad volframdisulfid skiljer sig helt från den fluorerade grafenen som studerades tidigare, " sa medförfattaren Tobin Filleter, en docent i maskinteknik vid University of Toronto. "Detta är en motivation att studera liknande 2D-material för att utforska ett sådant intressant beteende."

Forskarna sa att fluor verkar inte bara minska bandgapet och göra materialet mer ledande utan också orsaka defekter som skapar metalliska "öar" längs materialets yta som också visar paramagnetiska och ferromagnetiska egenskaper. "Dessa regioner av metallisk volframdisulfid är magnetiska och de stör varandra, skapa intressanta magnetiska egenskaper, " sa Radhakrishnan.

Ytterligare, eftersom fluoratomer är elektriskt negativa, de är också misstänkta för att ändra elektrontätheten hos angränsande atomer. Det förändrar materialets optiska egenskaper, vilket gör den till en kandidat för avkännings- och katalysapplikationer. Radhakrishnan föreslog att materialen också kan vara användbara i deras metalliska fas som elektroder för superkondensatorer och andra energilagringstillämpningar.

Radhakrishnan sa att olika koncentrationer av fluor ändrar andelen förändring till metallfasen, men förändringen förblev stabil i alla tre koncentrationer som labbet studerade.

"Fasomvandlingen, förändringar i egenskaper med funktionalisering av fluor och dess magnetiska och tribologiska förändringar är mycket spännande, "Ajayan sa. "Detta kan utökas till andra 2-D lager material och jag är säker på att det kommer att öppna upp några fängslande applikationer."