En skvätt salt kan förenkla skapandet av tvådimensionella material, och tack till forskare från Rice University, orsaken blir tydlig.

Boris Yakobson, en risprofessor i materialvetenskap och nanoteknik och kemi, var experten när en grupp laboratorier i Singapore, Kina, Japan och Taiwan använde salt för att skapa ett "bibliotek" av 2-D-material som kombinerade övergångsmetaller och kalkogener.

Dessa föreningar kan leda till mindre och snabbare transistorer, solceller, sensorer och katalysatorer, enligt forskarna.

Genom simuleringar av första principen molekylär dynamik och exakta energiberäkningar, Yakobson och hans kollegor bestämde att salt minskar temperaturen vid vilken vissa element interagerar i en kemisk ångavsättning (CVD) ugn. Det gör det lättare att bilda atomtjocka skikt som liknar grafen men med potential att anpassa deras kemiska sammansättning för specifikt skiktmaterial och följaktligen elektriska, optisk, katalytiska och andra användbara egenskaper.

Forskargruppen, inklusive Yakobson och Rice, postdoktoralforskare Yu Xie och doktoranden Jincheng Lei rapporterade sina resultat i veckan i Natur .

Teamet som leddes av Zheng Liu från Nanyang Technological University i Singapore använde sin erfarna teknik med CVD för att skapa 47 föreningar av metallkalkogenider (som innehåller en kalk och en elektropositiv metall). De flesta av de nya föreningarna hade två ingredienser, men några var legeringar av tre, fyra och till och med fem. Många av materialen hade tänkts och till och med eftertraktats, Yakobson sa, men aldrig gjort.

I CVD -processen, atomer upphetsade av temperaturer - i detta fall mellan 600 och 850 grader Celsius (1, 112 och 1, 562 grader Fahrenheit) —forma en gas och sätt dig slutligen på ett underlag, koppling till atomer av komplementär kemi för att bilda enskikskristaller.

Forskare misstänker redan att salt kan underlätta processen, Sa Yakobson. Liu kom till honom för att begära en molekylär modellanalys för att ta reda på varför salt gjorde det lättare att smälta metaller med kalkogener och få dem att reagera. Det skulle hjälpa dem att lära sig om det kan fungera inom den bredare paletten i det periodiska systemet.

"De gjorde ett imponerande brett arbete med att göra många nya material och att karakterisera dem alla på ett omfattande sätt, "Sa Yakobson." Ur vårt teoretiska perspektiv, nyheten i denna studie är att vi nu har en bättre förståelse för varför tillsats av vanligt salt sänker smältpunkten för dessa metalloxider och minskar särskilt energibarriärerna för mellanprodukterna på vägen att omvandla dem till kalkogenider. "

Oavsett om det är i form av vanligt bordsalt (natriumklorid) eller mer exotiska föreningar som kaliumjodid, salt befanns tillåta kemiska reaktioner genom att sänka den energiska barriären som annars hindrar molekyler från att interagera vid något mindre än ultrahöga temperaturer, Sa Yakobson.

"Jag kallar det ett" saltangrepp, "sa han." Detta är viktigt för syntesen. Först, när du försöker kombinera fasta partiklar, hur små de än är, de har fortfarande begränsad kontakt med varandra. Men om du smälter dem, med saltets hjälp, man får mycket kontakt på molekylnivå.

"Andra, salt minskar sublimeringspunkten, där ett fast ämne genomgår en fasomvandling till gas. Det betyder att fler av materialets komponentmolekyler hoppar in i gasfasen. Det är bra för allmänna transporter och kontaktfrågor och hjälper reaktionen överlag. "

The Rice team discovered the process doesn't facilitate the formation of the 2-D-material itself directly so much as it allows for the formation of intermediate oxychlorides. These oxychlorides then lead to the 2-D chalcogenide growth.

Detailing this process required intensive atom-by-atom simulations, Sa Yakobson. These took weeks of heavy-duty computations of the quantum interactions among as few as about 100 atoms – all to show just 10 picoseconds of a reaction. "We only did four of the compounds because they were so computationally expensive, and the emerging picture was clear enough, "Sa Yakobson.