Genom att skapa atomkedjor i en tvådimensionell kristall, forskare vid Penn State tror att de har hittat ett sätt att kontrollera riktningen av materialegenskaper i två- och tredimensionella kristaller med implikationer i avkänning, optoelektronik och nästa generations elektronikapplikationer.

Huruvida en legering har ett slumpmässigt arrangemang av atomer eller ett arrangemang som är ordnat kan ha stora effekter på ett materials egenskaper. I en tidning publicerad online i Nanobokstäver , Nasim Alem, biträdande professor i materialvetenskap och teknik, och kollegor vid Penn State använde en kombination av simuleringar och scanning transmission electron microscopy (STEM) avbildning för att bestämma atomstrukturen hos en ordnad legering av molybden, volfram och svavel. De fastställde att fluktuationer i mängden tillgängligt svavel var ansvariga för skapandet av atomkedjor av antingen molybden eller volfram.

"Vi upptäckte hur kedjor bildas i en tvådimensionell legering som ett resultat av fluktuationer i mängden av en viss prekursor, i detta fall svavel, sade Alem. Normalt, när vi kombinerar atomer av olika grundämnen, vi vet inte hur vi ska kontrollera vart atomerna ska ta vägen. Men vi har hittat en mekanism för att ge ordning åt atomerna, vilket i sin tur inför kontroll över fastigheterna, inte bara värmetransport, som fallet är i detta arbete, men också elektroniska, kemiska eller magnetiska egenskaper i andra legeringsfodral. Om du känner till mekanismen, du kan använda den för att ordna atomerna i ett brett utbud av legeringar i 2D-kristaller över det periodiska systemet."

När det gäller molybden, volfram och svavellegering, forskarna visade att de elektroniska egenskaperna var desamma i alla riktningar, men med hjälp av simuleringar, de förutspår att de termiska transportegenskaperna är mindre vinkelrätt mot kedjorna eller ränderna.

"Vi visste inte varför denna kristall bildar en ordnad struktur, så vi arbetade med min kollega Dr Vin Crespi för att förstå den bakomliggande fysiken som orsakar ordning i denna kristall, " sa Alem. "Våra beräkningar visar att det var fluktuationerna i det tredje elementet, svavel, det var det som avgjorde hur kedjorna bildades."

Vincent H. Crespi, framstående professor i fysik, och professor i kemi och materialvetenskap och teknik, som utvecklade den teoretiska förståelsen av fenomenet, sa, "Även om insidan av flingan är likgiltig för om molybden eller volfram upptar någon plats i kristallgitteret, kanten på den växande kristallen bryr sig:Beroende på hur mycket svavel som finns tillgängligt på en given plats, kanten föredrar att vara antingen 100 procent molybden eller 100 procent volfram. Så eftersom tillgängligheten av svavel slumpmässigt varierar under tillväxten, systemet lägger omväxlande rader av molybden eller volfram. Vi tror att detta kan vara en allmän mekanism för att skapa randliknande strukturer i 2D-material."

Amin Aziz, en Ph.D. kandidat i Alems grupp och huvudförfattare, producerade STEM-avbildningen och spektroskopin som visade den fina atomstrukturen hos legeringsproverna och deras elektroniska egenskaper.

"När vi kan direkt avbilda konstitutiva atomer av ett ämne, se hur de interagerar med varandra på atomnivå och försök förstå ursprunget till sådana beteenden, vi skulle potentiellt kunna skapa nya material med ovanliga egenskaper som aldrig har funnits, " sa Azizi.

Ett team ledd av Mauricio Terrones, professor i fysik, producerade prover av denna beställda legering genom att förånga pulver av alla tre grundämnen, kallade prekursorer, under hög värme.