Ett internationellt samarbete av forskare har använt datorsimuleringar för att hitta den minsta tunnheten hos en saltskiva för att den ska brytas upp i grafenliknande lager. Baserat på datorsimuleringen, de härledde ekvationen för antalet lager i en kristall som kommer att producera ultratunna filmer med tillämpningar inom nanoelektronik. Deras fynd fanns i The Journal of Physical Chemistry Letters .

Från 3D till 2D

Unik monoatomisk tjocklek av grafen gör det till ett attraktivt och användbart material. Dess kristallgitter liknar en bikaka, eftersom bindningarna mellan de ingående atomerna bildar regelbundna hexagoner. Grafen är ett enda lager av en tredimensionell grafitkristall och dess egenskaper (liksom egenskaperna hos vilken 2D-kristall som helst) skiljer sig radikalt från dess 3D-motsvarighet. Sedan upptäckten av grafen, en stor mängd forskning har riktats mot nya tvådimensionella material med spännande egenskaper. Ultratunna filmer har ovanliga egenskaper som kan vara användbara för applikationer som nano- och mikroelektronik.

Tidigare teoretiska studier har föreslagit att filmer med en kubisk struktur och jonbindning spontant kan omvandlas till en skiktad hexagonal grafitisk struktur i det som kallas grafitering. För vissa ämnen, denna omvandling har observerats experimentellt. Det förutspåddes att stensalt NaCl kunde vara en förening med tendenser till grafitisering. Grafitisering av kubiska föreningar skulle kunna ge nya och lovande strukturer för tillämpningar inom nanoelektronik. Dock, ingen teori har förklarat denna process med en godtycklig kubisk förening eller gjort förutsägelser om dess omvandling till grafenliknande saltlager.

För att grafitisering ska inträffa, kristallskikten måste reduceras längs den kubiska strukturens huvuddiagonal. Detta skulle resultera i att den ena kristallytan är gjord av natriumjoner och den andra av kloridjoner. Det är viktigt att notera att positiva och negativa joner - och inte neutrala atomer - upptar gitterpunkterna i strukturen. Detta genererar laddningar av motsatta tecken på de två ytorna. Så länge ytorna är avlägsna från varandra, alla avgifter annulleras, och saltplattan visar en preferens för en kubisk struktur. Dock, en tillräckligt tunn film ger upphov till ett stort dipolmoment på grund av de två kristallytornas motsatta laddningar. Strukturen försöker bli av med dipolmomentet, vilket ökar energin i systemet. För att göra ytorna laddningsneutrala, kristallen genomgår en omarrangering av atomer.

Experiment kontra modell

För att studera hur grafitiseringstendenser varierar beroende på föreningen, forskarna undersökte 16 binära föreningar med den allmänna formeln AB, där A står för en av de fyra alkalimetallerna litium Li, natrium Na, kalium K, och rubidium Rb. Dessa är mycket reaktiva grundämnen som finns i grupp 1 i det periodiska systemet. B:et i formeln står för någon av de fyra halogenerna fluor F, klor Cl, brom Br, och jod I. Dessa grundämnen är i grupp 17 i det periodiska systemet och reagerar lätt med alkalimetaller.

Alla föreningar i denna studie finns i ett antal strukturer, även känd som kristallgitter eller faser. Om atmosfärstrycket höjs till 300, 000 gånger dess normala värde, en annan fas (B2) av NaCl (representerad av den gula delen av diagrammet) blir mer stabil, åstadkomma en förändring i kristallgittret. För att testa deras val av metoder och parametrar, forskarna simulerade två kristallgitter och beräknade trycket som motsvarar fasövergången mellan dem. Deras förutsägelser överensstämmer med experimentella data.

Hur tunn ska den vara?

Föreningarna inom ramen för denna studie kan alla ha en hexagonal, "grafitisk" G-fas (den röda i diagrammet) som är instabil i 3-D bulk men blir den mest stabila strukturen för ultratunna (2-D eller kvasi-2-D) filmer. Forskarna identifierade förhållandet mellan ytenergin hos en film och antalet lager i den för både kubiska och hexagonala strukturer. De plottade detta förhållande genom att rita två linjer med olika lutningar för var och en av de studerade föreningarna. Varje par av linjer förknippade med en förening har en gemensam punkt som motsvarar den kritiska platttjockleken som gör omvandlingen från en kubisk till en hexagonal struktur energiskt gynnsam. Till exempel, det kritiska antalet lager visade sig vara nära 11 för alla natriumsalter och mellan 19 och 27 för litiumsalter.

Baserat på dessa uppgifter, forskarna etablerade ett samband mellan det kritiska antalet lager och två parametrar som bestämmer styrkan hos jonbindningarna i olika föreningar. Den första parametern anger storleken på en jon av en given metall - dess jonradie. Den andra parametern kallas elektronegativitet och är ett mått på atomens förmåga att attrahera elektronerna i element B. Högre elektronegativitet betyder mer kraftfull attraktion av elektroner av atomen, en mer uttalad jonisk karaktär av bindningen, en större ytdipol, och en lägre kritisk skivtjocklek.

Pavel Sorokin, chef för Laboratory of New Materials Simulation vid TISNCM säger, "Detta arbete har redan lockat våra kollegor från Israel och Japan. Om de bekräftar våra resultat experimentellt, detta fenomen [av grafitisering] kommer att ge en gångbar väg till syntesen av ultratunna filmer med potentiella tillämpningar inom nanoelektronik."

Forskarna avser att bredda omfattningen av sina studier genom att undersöka andra föreningar. De tror att ultratunna filmer av olika sammansättning också kan genomgå spontan grafitisering, ger nya skiktade strukturer med egenskaper som är ännu mer spännande.