Karakteriserar de termiska egenskaperna hos kristallint molybdendisulfid, ett viktigt tvådimensionellt (2-D) material, har visat sig vara utmanande. Nu har forskare från A*STAR utvecklat en enkel teknik som kan bana väg för användning i en mängd nya applikationer inom energilagring, optoelektroniska och flexibla elektroniska enheter.

Sexkantig molybdendisulfid (MoS2), en av dikalkogeniderna-en familj av halvledande övergångsmetaller-har väckt stor uppmärksamhet som ett tvådimensionellt (2-D) material tack vare dess anmärkningsvärda elektroniska och optoelektroniska egenskaper. Det är också anmärkningsvärt för sin imponerande styrka och flexibilitet, som härrör från det sexkantiga gallret av molybdenatomer som är inklämt mellan skikt av svavelatomer.

Att bestämma de termiska egenskaperna hos MoS2 är nyckeln till att låsa upp dess häpnadsväckande egenskaper, men dess komplexa geometri och de många beräkningar som krävs för fononer-de olika vibrationslägena för atomer i ett kristallgitter-är en kostsam och tidskrävande beräkningsprocess.

Chee Kwan Gan och Yu Yang Fredrik Liu från A*STAR Institute of High Performance Computing har nu utvecklat en numerisk teknik som dramatiskt minskar antalet beräkningar, låta termisk expansionskoefficient - som bestämmer hur deras form och storlek förändras som svar på temperaturförändringar - av MoS2 -kristaller beräknas exakt och effektivt, och kan också appliceras på andra viktiga 2-D-material.

"Tänk på en fonon som en partikel bunden till en fjäder, där det vibrerar med ett fast mönster med en fast frekvens, "förklarar Gan." Det finns många fononlägen i en kristall som molybden -disulfid, och utmaningen är att beräkna dem alla. "

Genom att deformera en kristall av MoS2, forskarna bestämde förändringen i frekvens för varje fonon i gitterstrukturen, och genom att tillämpa en numerisk metod, baserad på störningsteori, till dessa ändrade frekvenser; de kunde uppskatta kristallens termiska egenskaper, känd som Grüneisen -parametrarna. Dessa parametrar användes sedan för att beräkna de termiska expansionskoefficienterna för sexkantiga MoS2.

"Vår metod använder den sexkantiga strukturens fulla symmetri för att minska beräkningen till endast fyra uppsättningar fononberäkningar jämfört med kvasi-harmonisk approximation-det traditionella tillvägagångssättet-som kräver många fler, "säger Gan.

Arbetet presenterar, för första gången, en exakt och enkel metod för att bestämma de termiska egenskaperna hos MoS2, och ger en djupare förståelse av värmeledning i 2-D-material.

"Vårt långsiktiga mål är att utvidga tillvägagångssättet till andra tekniskt viktiga halvledare, tvådimensionella material, såsom vismutselenid, "säger Gan.