De anmärkningsvärda egenskaperna hos 2-D-material-som består av ett enda lager av atomer-har gjort dem till de mest intensivt studerade materialen i vår tid. De har potential att inleda en ny generation av förbättrad elektronik, batterier och sensoriska apparater, bland andra applikationer.

Ett hinder för att förverkliga tillämpningar av dessa material är kostnaden och tiden som krävs för experimentella studier. Dock, datorsimuleringar hjälper forskare att övervinna denna utmaning för att exakt karakterisera materialstrukturer och funktioner i en accelererad takt.

Vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, forskare har simulerat tillväxten av silicen, ett 2D-material med attraktiva elektroniska egenskaper. Deras arbete, publiceras i Nanoskala , ger nya och användbara insikter om materialets egenskaper och beteende och erbjuder en förutsägbar modell för andra forskare som studerar 2-D-material.

Går framåt, denna modell kan påskynda forskarnas förståelse av 2D-material, och för oss närmare att förverkliga deras tillämpningar inom ett brett spektrum av branscher.

I simuleringar, Argonne-forskare observerade silicen, består av ett lager av kiselatomer, utvecklas när den växte på metallen iridium. Forskarna utvecklade sin modell med stöd från Argonnes Center for Nanoscale Materials och Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) - både DOE Office of Science User Facilities - och med hjälp av experimentella data om silentillväxt.

"Vi använde experimentella data för att bygga modellen, "sa Mathew Cherukara, Argonne postdoktor och huvudförfattare. "Vi använde sedan den här versionen av modellen för att göra förutsägelser under olika förhållanden, och lär dig också de underliggande fysiska processerna som styr materialets tillväxt."

Författarna arbetade sedan med ALCF -forskare för att simulera tillväxten av kiselatom för atom. De simulerade materialet under olika förhållanden, ändra variabler som temperatur och hastigheten som silicen avsattes, tills de hittade de bästa förutsättningarna för att skapa en singel, enhetligt lager.

"I huvudsak gjorde vi virtuella" experiment "för att optimera olika variabler, allt till en mycket lägre kostnad än i labbet, sa Badri Narayanan, Argonne materialforskare och gemensam huvudförfattare. "Nu, andra kan undvika mycket av trial and error inom labbet. Istället kan de experimentera med den optimerade uppsättning förhållanden som vår modell förutspår för att bäst ge de strukturer och egenskaper de önskar."

Med silen, kiselatomer kan ordna sig i fyra-, fem- eller till och med sex-medlemsringar, bildar kluster eller öar. Dess materialegenskaper kan drastiskt förändras beroende på antalet atomer i en ring, storleken och fördelningen av dessa ringar och hur de ansluter till varandra över tid.

"I simuleringarna, vi använde maskininlärningsalgoritmer för att identifiera dessa små kluster i farten, ", sa Argonne postdoktor och medförfattare Henry Chan. "Storleken och formen på klustren och hur de kombineras dikterar i slutändan egenskaperna hos dessa 2D-material."

En fördel med att modellera 2D-material som silicen är att forskare kan visualisera atomära interaktioner och konfigurationer, som bildandet av mellanliggande kluster under tillväxtprocessen. Dessa utvecklas ofta för snabbt för forskare att fånga under experiment.

"Det är mycket svårt att fånga kluster eller öar som bildas eftersom de sker över mycket korta tidsskalor och små längder, " sa Subramanian Sankaranarayanan, Argonne-forskare och medförfattare. "Våra simuleringar, som fångar bara tiotals nanosekunder, lyckas visa hur dessa små strukturer bildas och avslöjar de optimala förutsättningarna för att faktiskt ställa in strukturerna på ett eller annat sätt."

"Silicentillväxt genom ö-migration och sammansmältning" fanns med på omslaget till augustinumret av Nanoskala .