Vanligt salt (NaCl) fungerar som en mellanhand i den kemiska ångavsättningstillväxten av 2D-molybdendisulfid, vilket påskyndar processen för dess skapelse. Materialteoretiker vid Rice University upptäckte att salt och en prekursor bildar ett eutektikum, som har en lägre smälttemperatur än någon av dem. Kredit:Jincheng Lei/Yakobson Research Group
Att hoppa före i en kö är oförskämt, men ibland är det acceptabelt. Speciellt för salt.
Rice Universitys labb av materialteoretiker Boris Yakobson visar varför i sin uppföljning av en studie från 2018 som visade hur salt förenklar bildandet av värdefull 2D-molybdendisulfid (MoS2 ) med en första principanalys av processen som skulle kunna förfina den ytterligare.
Den teoretiska studien av Yakobson och kollegor Jincheng Lei, Yu Xie och Alex Kutana, alla alumner från hans labb, och forskaren Ksenia Bets visar genom simulering av energier på atomnivå varför salt - särskilt jodiserat salt - sänker reaktionstemperaturen i en kemisk ånga deponeringsugn (CVD) som krävs för att bilda MoS2 .
Det gör det genom att hjälpa till att hoppa över några steg och hoppa över höga energibarriärer i konventionell CVD-tillväxt för att ge mycket mer MoS6 , en viktig föregångare till 2D MoS2 .
Deras studie i Journal of the American Chemical Society fokuserat på hur salt sänker aktiveringsbarriärerna för att förbättra sulfuriseringen av molybdenoxihalider, gasråvaran i MoS2 kristallisation.
MoS2 är en naturlig förening känd i bulkform som molybdenit, och i 2D-form är mycket eftertraktad för sina halvledande egenskaper, som lovar framsteg inom elektroniska, optoelektroniska, spintroniska, katalytiska och medicinska tillämpningar. Men 2D MoS2 fortfarande svårt att tillverka i kommersiella kvantiteter.
Rice-teamet gick först in i striden när labb i Singapore, Kina, Japan och Taiwan använde salt för att göra ett "bibliotek" av 2D-material som kombinerade övergångsmetaller och kalkogener. Varför det fungerade så bra var ett mysterium, vilket fick dem att anlita Yakobson-labbets expertis i att modellera material – även bara teoretiska sådana – från grunden.
Deras omfattande modeller visar att medan de internationella labben använde kloridsalter för att göra sitt materialbibliotek, är jodidsalterna som vanligtvis finns på köksbord bättre på att påskynda syntesen av MoS2 .
"Snabb och storskalig syntes är absolut nödvändigt för den utbredda tillämpningen av MoS2 ", sade Lei. "Vi studerade noggrant hela tillväxtprocessen i hopp om att optimera den så mycket som möjligt. Det visade sig att genom att helt enkelt ändra klorid till jodid kunde man syntetisera MoS2 mycket snabbare vid ännu lägre tillväxttemperaturer."
Detta händer när salt och prekursorn bildar ett eutektikum, en blandning av ämnen som smälter och stelnar vid en enda temperatur som är lägre än beståndsdelarnas smältpunkter.
"Efter att saltassisterad syntes har visat sig möjliggöra tillväxten av många fler TMD-föreningar (transition metal dichalcogenide) än vad som var möjligt i förväg och avsevärt förbättrade tillväxtförhållanden för tidigare syntetiserade sådana, blev det tydligt att det är något speciellt med denna process," Bets sa.
"Vissa experimentella grupper försökte undersöka ytterligare, men att övervaka den molekylära sammansättningen av gasfasen under tillväxtförhållanden är inte en enkel uppgift," sa hon. "Även då kan du inte se hela bilden.
"Vi var mycket noggranna och följde upp Jinchengs arbete med mekanismen för konventionell MoS2 tillväxt. Vi simulerade alla delar av processen, från sulfurisering till 2D-kristalltillväxt. Detta omfattande tillvägagångssätt gav resultat."
I simuleringar observerade Rice-teamet direkt hela sulfuriseringsprocessen då syre- och kloratomer gradvis ersattes av svavel i MoO2 Cl2 , en vanlig föregångare, under CVD-förhållanden.
Laboratoriet sa att den eutektiska effekten kan vara ett vanligt fenomen i CVD-syntesen av 2D dikalkogenid-monoskikt, och därför värt fortsatta studier. + Utforska vidare
