Forskare vid Rice University och Oak Ridge National Laboratory bestämde att tvådimensionella material som odlas på en kon ger kontroll över var defekter som kallas korngränser visas. Dessa defekter kan användas för att förbättra materialets elektroniska, mekanisk, katalytiska och optiska egenskaper. Upphovsman:Yakobson Research Group/Rice University
Forskare från Rice University har lärt sig att manipulera tvådimensionella material för att designa i defekter som förbättrar materialets egenskaper.
Rice lab av teoretiska fysikern Boris Yakobson och kollegor vid Oak Ridge National Laboratory kombinerar teori och experiment för att bevisa att det är möjligt att ge 2-D material specifika defekter, särskilt sömmar i atomskala som kallas korngränser. Dessa gränser kan användas för att förbättra materialets elektroniska, magnetisk, mekanisk, katalytiska och optiska egenskaper.
Nyckeln är att introducera krökning till landskapet som begränsar hur defekter sprider sig. Forskarna kallar detta "lutningskorn gräns topologi, "och de uppnår det genom att odla sina material på ett topografiskt krökt underlag - i det här fallet, en kon. Konens vinkel dikterar om, vilken typ och var går gränserna.
Forskningen är föremål för en uppsats i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .
Korngränser är gränserna som visas i ett material där kanter möts i en felaktig överensstämmelse. Dessa gränser är en rad defekter; till exempel, när två ark med sexkantig grafen möts i en vinkel, kolatomerna kompenserar för det genom att bilda icke-sexkantiga (fem- eller sju-lediga) ringar.
En teoretisk modell till vänster, skapad vid Rice University, visar en triangulär flinga av volframdisulfid odlad runt en kon som tvingar skapandet av en korngräns i en specifik vinkel. Risforskarna visade att konens bredd kunde användas för att bestämma placeringen av gränsen, och forskare vid Oak Ridge National Laboratory bevisade det när de gjorde det matchande materialet som ses i elektronmikroskopbilden till höger. Upphovsman:Rice University/Oak Ridge National Laboratory
Yakobson och hans team har redan visat att dessa gränser kan vara elektroniskt signifikanta. Dom kan, till exempel, förvandla perfekt ledande grafen till en halvledare. I vissa fall, själva gränsen kan vara en ledande subnanoskala eller ta magnetiska egenskaper.
Men tills nu hade forskarna liten kontroll över var dessa gränser skulle dyka upp när de växer grafen, molybdendisulfid eller andra 2-D-material genom kemisk ångavsättning.
Teorin som utvecklats vid Rice visade att växande 2-D-material på en kon skulle tvinga gränserna att dyka upp på vissa ställen. Konens bredd styr placeringen och, mer viktigt, lutningsvinkeln, en avgörande parameter för att justera materialens elektroniska och magnetiska egenskaper, Sa Yakobson.
Experimentella medarbetare från Oak Ridge under ledning av medförfattaren David Geohegan gav bevis som stöder viktiga aspekter av teorin. De uppnådde detta genom att odla volframdisulfid på små kottar som liknar dem i Rices datormodeller. Gränserna som dök upp i de verkliga materialen stämde överens med de som förutses av teorin.
Forskare vid Rice University och Oak Ridge National Laboratory förutspår och bekräftar att tvådimensionella material som odlas på en kon ger kontroll över var defekter som kallas spannmålsgränser visas. Till vänster, en rismodell förutspår hur en spannmålsgräns skulle bildas på en brant kon och sträcka sig ut på en grund kon. Forskare vid Oak Ridge bekräftade förutsägelsen när de skapade materialet som ses i en elektronmikroskopbild till höger. Upphovsman:Rice University/Oak Ridge National Laboratory
"Substratets icke-plana form tvingar 2-D-kristallen att växa i ett krökt" icke-euklidiskt "utrymme, "Sa Yakobson." Detta anstränger kristallen, som ibland ger efter genom att ge en väg till sömmarna, eller spannmålsgränser. Det skiljer sig inte från hur en skräddare skulle lägga en söm till en kostym eller en klänning för att passa en kurvig kund. "
Modelleringskottar av olika bredd avslöjade också en "magisk kon" på 38,9 grader på vilken odling av ett 2-D-material inte skulle lämna någon korngräns alls.
Rislaget utökade sin teori för att se vad som skulle hända om kottarna satt på ett plan. De förutspådde hur korngränser skulle bildas över hela ytan, och igen, Oak Ridge -experiment bekräftade deras resultat.
Yakobson sa att både Rice- och Oak Ridge -teamen arbetade oberoende av aspekter av forskningen. "Det gick långsamt tills vi träffades på en konferens i Florida för ett par år sedan och insåg att vi borde fortsätta tillsammans, "sa han." Det var verkligen glädjande att se hur experiment bekräftade modellerna, samtidigt som det erbjuder viktiga överraskningar. Nu måste vi göra det extra arbetet för att förstå dem också. "
