De är bland de tunnaste strukturerna på jorden:"tvådimensionella material" är kristaller som består av endast ett eller några lager av atomer. De uppvisar ofta ovanliga egenskaper, lovar många nya tillämpningar inom optoelektronik och energiteknik. Ett av dessa material är 2-D-molybdensulfid, ett atomärt tunt lager av molybden- och svavelatomer.

Framställningen av sådana ultratunna kristaller är svår. Kristallisationsprocessen beror på många olika faktorer. Förr, olika tekniker har gett ganska olika resultat, men orsakerna till detta kunde inte förklaras exakt. Tack vare en ny metod utvecklad av forskarlag vid TU Wien, universitetet i Wien och Joanneum Research i Steiermark, för första gången någonsin är det nu möjligt att observera kristallisationsprocessen direkt under elektronmikroskopet. Metoden har nu presenterats i den vetenskapliga tidskriften ACS Nano .

Från gas till kristall

"Molybdensulfid kan användas i transparenta och flexibla solceller eller för att på ett hållbart sätt generera väte för energilagring, " säger huvudförfattaren till studien, Bernhard C. Bayer från Institutet för materialkemi vid TU Wien. "För att göra detta, dock, Högkvalitativa kristaller måste odlas under kontrollerade förhållanden."

Vanligtvis görs detta genom att börja med atomer i gasform och sedan kondensera dem på en yta på ett slumpmässigt och ostrukturerat sätt. I ett andra steg, atomerna är ordnade i regelbunden kristallform – genom uppvärmning, till exempel. "De olika kemiska reaktionerna under kristallisationsprocessen är, dock, fortfarande oklart, vilket gör det mycket svårt att utveckla bättre produktionsmetoder för 2D-material av detta slag, " konstaterar Bayer.

Tack vare en ny metod, dock, det borde nu vara möjligt att noggrant studera detaljerna i kristallisationsprocessen. "Detta betyder att det inte längre är nödvändigt att experimentera genom försök och misstag, men tack vare en djupare förståelse för processerna, vi kan säga säkert hur man skaffar den önskade produkten, ", tillägger Bayer.

Grafen som substrat

Först, molybden och svavel placeras slumpmässigt på ett membran av grafen. Grafen är förmodligen det mest kända av 2D-materialen – en kristall med en tjocklek av endast ett atomskikt bestående av kolatomer ordnade i ett bikakegitter. De slumpmässigt arrangerade molybden- och svavelatomerna manipuleras sedan i elektronmikroskopet med en fin elektronstråle. Samma elektronstråle kan användas samtidigt för att avbilda processen och för att initiera kristallisationsprocessen.

På så sätt har det nu för första gången blivit möjligt att direkt observera hur atomerna rör sig och omordnar sig under materialets tillväxt med en tjocklek av endast två atomlager. "Genom att göra så, vi kan se att den mest termodynamiskt stabila konfigurationen inte nödvändigtvis alltid behöver vara sluttillståndet, " säger Bayer. Olika kristallarrangemang konkurrerar med varandra, förvandlas till varandra och ersätter varandra. "Därför, det är nu uppenbart varför tidigare undersökningar hade så varierande resultat. Vi har att göra med ett komplex, dynamisk process." De nya rönen kommer att hjälpa till att anpassa strukturen av 2D-material mer exakt till applikationskrav i framtiden genom att störa omarrangemangsprocesserna på ett målinriktat sätt.