En mängd tvådimensionella material som har lovande egenskaper för optiska, elektronisk, eller optoelektroniska tillämpningar har hållits tillbaka av det faktum att de snabbt bryts ned när de utsätts för syre och vattenånga. De skyddsbeläggningar som hittills utvecklats har visat sig vara dyra och giftiga, och kan inte tas av.

Nu, ett team av forskare vid MIT och på andra håll har utvecklat en ultratunn beläggning som är billig, enkel att applicera, och kan avlägsnas genom att applicera vissa syror.

Den nya beläggningen kan öppna upp en mängd olika potentiella applikationer för dessa "fascinerande" 2D-material, säger forskarna. Deras resultat rapporteras denna vecka i tidskriften PNAS , i en uppsats av MIT -doktorand Cong Su; professorer Ju Li, Jing Kong, Mircea Dinca, och Juejun Hu; och 13 andra vid MIT och i Australien, Kina, Danmark, Japan, och U.K.

Forskning om 2D-material, som bildar tunna ark bara en eller några få atomer tjocka, är "ett mycket aktivt område, " säger Li. På grund av deras ovanliga elektroniska och optiska egenskaper, dessa material har lovande tillämpningar, såsom högkänsliga ljusdetektorer. Men många av dem, inklusive svart fosfor och en hel kategori av material som kallas övergångsmetalldikalkogenider (TMD), korroderar när de utsätts för fuktig luft eller för olika kemikalier. Många av dem försämras avsevärt på bara timmar, utesluter deras användbarhet för verkliga tillämpningar.

"Det är en nyckelfråga" för utveckling av sådana material, säger Li. "Om du inte kan stabilisera dem i luften, deras bearbetbarhet och användbarhet är begränsad. "En anledning till att kisel har blivit ett så allestädes närvarande material för elektroniska enheter, han säger, beror på att det naturligt bildar ett skyddande lager av kiseldioxid på sin yta när det utsätts för luft, förhindra ytterligare nedbrytning av ytan. Men det är svårare med dessa atomiskt tunna material, vars totala tjocklek kan vara ännu mindre än kiseldioxidskyddsskiktet.

Det har gjorts försök att belägga olika 2D-material med en skyddande barriär, men hittills har de haft allvarliga begränsningar. De flesta beläggningar är mycket tjockare än själva 2D-materialen. De flesta är också mycket spröda, lätt bildar sprickor som släpper igenom den korroderande vätskan eller ångan, och många är också ganska giftiga, skapa problem med hantering och bortskaffande.

Den nya beläggningen, baserad på en familj av föreningar som kallas linjära alkylaminer, förbättrar dessa nackdelar, säger forskarna. Materialet kan appliceras i ultratunna lager, så lite som 1 nanometer (en miljarddels meter) tjock, och ytterligare uppvärmning av materialet efter applicering läker små sprickor för att bilda en sammanhängande barriär. Beläggningen är inte bara ogenomtränglig för en mängd olika vätskor och lösningsmedel utan blockerar också väsentligt penetrering av syre. Och, det kan tas bort senare om det behövs av vissa organiska syror.

"Detta är ett unikt tillvägagångssätt" för att skydda tunna atomplåtar, Li säger, som producerar ett extra lager bara en enda molekyl tjock, känt som ett monolager, som ger ett anmärkningsvärt hållbart skydd. "Detta ger materialet en faktor 100 längre livslängd, " han säger, utökar bearbetningsbarheten och användbarheten för vissa av dessa material från några timmar upp till månader. Och beläggningsmassan är "väldigt billig och lätt att applicera, " han lägger till.

Förutom teoretisk modellering av det molekylära beteendet hos dessa beläggningar, laget gjorde en fungerande fotodetektor av flingor av TMD-material skyddade med den nya beläggningen, som ett bevis på konceptet. Beläggningsmaterialet är hydrofobt, vilket betyder att det kraftigt stöter bort vatten, som annars skulle diffundera in i beläggningen och lösa upp ett naturligt bildat skyddande oxidskikt inuti beläggningen, leder till snabb korrosion.

Appliceringen av beläggningen är en mycket enkel process, Su förklarar. 2D-materialet placeras helt enkelt i ett bad med flytande hexylamin, en form av den linjära alkylaminen, som bygger upp den skyddande beläggningen efter cirka 20 minuter, vid en temperatur av 130 grader Celsius vid normalt tryck. Sedan, att producera en slät, sprickfri yta, materialet nedsänks i ytterligare 20 minuter i ånga av samma hexylamin.

"Du lägger bara rånet i denna flytande kemikalie och låter den värmas upp, "Su säger." I grunden det är det." Beläggningen "är ganska stabil, men det kan avlägsnas med vissa mycket specifika organiska syror."

Användningen av sådana beläggningar kan öppna nya forskningsområden för lovande 2-D-material, inklusive TMD och svart fosfor, men potentiellt också silicen, stanine, och annat relaterat material. Eftersom svart fosfor är det mest sårbara och lättnedbrytbara av alla dessa material, det är vad laget använde för sitt första bevis på koncept.

Den nya beläggningen kan ge ett sätt att övervinna "det första hindret för att använda dessa fascinerande 2D-material, " säger Su. "Praktiskt sett, du måste hantera nedbrytningen under bearbetningen innan du kan använda dessa för alla applikationer, "och det steget har nu uppnåtts, han säger.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.