Forskare vid Rice University har upptäckt att ett atomtjockt material som tittar på flexibel elektronik och nästa generations optiska enheter är skörare än de förväntade sig.

Rice-teamet ledd av materialforskaren Jun Lou testade draghållfastheten hos tvådimensionella, halvledande molybdendiselenid och upptäckte att brister så små som en saknad atom kan initiera katastrofal sprickbildning under påfrestning.

Lagets rapport visas denna månad i Avancerade material .

Fyndet kan få industrin att titta mer noggrant på egenskaperna hos 2D-material innan de införlivas i ny teknik, han sa.

"Det visar sig att inte alla 2D-kristaller är lika, sa Lou, en risprofessor i materialvetenskap och nanoteknik. "Grafen är mycket mer robust jämfört med några av de andra vi har att göra med just nu, som denna molybdendiselenid. Vi tror att det har något att göra med defekter som är inneboende i dessa material."

Defekterna kan vara så små som en enda atom som lämnar en tom plats i den kristallina strukturen, han sa. "Det är väldigt svårt att upptäcka dem, " sa han. "Även om ett kluster av lediga platser gör ett större hål, det är svårt att hitta med någon teknik. Det kan vara möjligt att se dem med ett transmissionselektronmikroskop, men det skulle vara så arbetskrävande att det inte skulle vara användbart."

Molybdendiselenid är en dikalkogenid, ett tvådimensionellt halvledande material som ser ut som en grafenliknande hexagonal array från ovan men är faktiskt en sandwich av metallatomer mellan två lager av kalkogenatomer, I detta fall, selen. Molybdendiselenid övervägs för användning som transistorer och i nästa generations solceller, fotodetektorer och katalysatorer samt elektroniska och optiska enheter.

Lou och kollegor mätte materialets elasticitetsmodul, mängden sträckning ett material kan hantera och fortfarande återgå till sitt ursprungliga tillstånd, på 177,2 (plus eller minus 9,3) gigapascal. Grafen är mer än fem gånger så elastiskt. De tillskrev den stora variationen till redan existerande brister på mellan 3,6 och 77,5 nanometer.

Dess brottstyrka, mängden sträckning ett material kan hantera innan det går sönder, uppmättes till 4,8 (plus eller minus 2,9) gigapascal. Grafen är nästan 25 gånger starkare.

En del av projektet ledd av Rice postdoktorala forskare Yingchao Yang krävde att molybdendiselenid flyttades från en tillväxtkammare i en ugn för kemisk ångavsättning till ett mikroskop utan att introducera fler defekter. Yang löste problemet med en torröverföringsprocess istället för en vanlig syratvätt som skulle ha förstört proverna.

För att testa prover, Yang placerade rektanglar av molybdendiselenid på en känslig elektronmikroskopplattform som uppfanns av Lou-gruppen. Naturliga van der Waals-krafter höll proverna på plats på fjädrande fribärande armar som mätte den applicerade spänningen.

Lou sa att gruppen försökte mäta materialets brottseghet, en indikator på hur sannolikt det är att sprickor sprids, som de hade i en tidigare studie om grafen. Men de fann att förskärning av sprickor till molybdendiselenid resulterade i att det splittrades innan stress kunde appliceras, han sa.

"Det viktiga budskapet i detta arbete är den spröda naturen hos dessa material, Lou sa. "Många människor funderar på att använda 2D-kristaller eftersom de är tunna till sin natur. De funderar på flexibel elektronik eftersom de är halvledare och deras teoretiska elastiska styrka borde vara mycket hög. Enligt våra beräkningar, de kan sträckas upp till 10 procent.

"Men i verkligheten, på grund av inneboende defekter, du kan sällan uppnå så mycket styrka. Proverna vi har testat hittills bröt vid 2 till 3 procent (av det teoretiska maxvärdet) som mest, " sa Lou. "Det borde fortfarande vara bra för de flesta flexibla tillämpningar, men om de inte hittar ett sätt att släcka defekterna, det kommer att bli mycket svårt att nå de teoretiska gränserna."