Önskvärda egenskaper inklusive ökad elektrisk ledningsförmåga, förbättrade mekaniska egenskaper, eller magnetism för minneslagring eller informationsbehandling kan vara möjlig på grund av en teoretisk metod för att kontrollera korngränser i tvådimensionella material, enligt Penn State materialforskare.

Tvådimensionella (2D) material har varit i fokus för intensiva studier under det senaste decenniet, men innan Yuanxi Wangs arbete, en nyligen doktorand i Penn State och Vincent H. Crespi, framstående professor i fysik, materialvetenskap och teknik och kemi vid Penn State, ingen hade utarbetat ett allmänt sätt att kontrollera platsen och typen av korngränser i 2D-material.

"När du odlar ett 2D-material, en tunn film, du avsätter material på ett underlag, " förklarade Crespi. "När atomerna faller på substratet, de självorganiserar sig till kristallina områden som kallas korn."

När kornen expanderar, de springer in i andra växande kristallina regioner, och där de mötas kallas korngränsen. Men som att kakla ett golv genom att kasta plattorna slumpmässigt, orienteringen av kornen och korngränserna är godtyckliga, vilket påverkar materialegenskaperna.

Tills detta arbete, publiceras i tidskriften Nanobokstäver , dessa slumpmässiga korngränser ansågs till stor del vara olyckliga biprodukter av deponeringsprocessen.

"Vanligtvis, när du odlar ett material, dessa slumpmässiga korngränser är dåliga, " sa Crespi. "Atomerna parar sig inte med varandra som de gör i vanliga kristaller. Ström och värme passerar inte så lätt. De tenderar att sprida värme och elektroner."

Crespi och Wang hade idén att genom att manipulera det underliggande substratet, de kunde förutbestämma var korngränserna skulle börja och sluta, och få dem att ställa upp i ordnade positioner. Nyckelformerna var baserade på något som kallas Gaussisk krökning, en serie halvklotformade stötar och dopp på ett substrat som liknar en äggkartong.

Wang gjorde beräkningar som visade att för två brett studerade 2D-material, grafen och molybdendisulfid, tillväxten skulle bilda korngränser på specifika platser snarare än att lossna från substratet eller utveckla oönskade veck. Om 2D-materialet inte fäster bra vid underlaget, det kommer att generera ett veck.

"Vi fann att energin och kinetiken för att bilda korngränser kontra ett veck eller lösgöring, var gynnsamma i grafen och molybdendisulfid, och tillämplig på alla 2D-material, " sa Wang. "Men ingen stöt skulle duga. De måste ha Gaussisk krökning."

Tillämpningar inkluderar minneslagring, där styrning av det magnetiska tillståndet för ett 2D-magnetiskt korngränssystem genom att applicera en spänning skulle vara en mycket användbar förmåga. Finkontrollen av elektroniska egenskaper via korngränser kan också användas inom spintronik, som bearbetar information med hjälp av elektronspin. Dessa korngränser styr också ofta de mekaniska egenskaperna hos material, till exempel hur de reagerar under stretching.

"Detta ger människor ett nytt sätt att tänka på att optimera egenskaperna hos 2D-material där de har mer kontroll än tidigare, " sa Crespi. "Vi visste inte att vi kunde ha så fin kontroll över korngränserna, och så vi tänkte inte på att noggrant studera magneten, termiska och elektroniska egenskaper hos korngränser med sikte på att skapa "korngränsmaterial" vars egenskaper bestäms av en kontrollerad fördelning av specificerade korngränser."

Deras artikel i Nanobokstäver har titeln "Teorin om korngränser med ändlig längd för kontrollerad misspassningsvinkel i tvådimensionella material."