Materialforskare vid Rice University och University of Pennsylvania efterlyser ett kollektiv, globala ansträngningar för att snabba upp massproduktionen av 2D-material som grafen och molybdendisulfid.

I en perspektivartikel publicerad online i Material idag , tidskriftens chefredaktör Jun Lou och kollegor talar för en fokuserad, kollektiv ansträngning för att möta de forskningsutmaningar som skulle kunna bana väg för storskalig massproduktion av 2D-material.

Lou och andra rismaterialforskare Ming Tang, Jing Zhang och Fan Wang anslöt sig till Penns Vivek Shenoy för att beskriva den potentiella omvandlingen inom 2D-materialteknik som kan bli resultatet av en systematisk, samhällsomfattande ansträngning för att kartlägga formerna på de 2D-kristaller som odlas i labb över hela världen via en process som kallas kemisk ångdeposition (CVD).

"Som snöflingor i naturen, 2D-kristaller uppvisar ett rikt utbud av morfologier under olika tillväxtförhållanden, " de skrev.

Kartlägga dessa unika kristallmönster och sammanställa kartorna i en global databas, tillsammans med recepten för att skapa varje mönster, kunde låsa upp en mängd information "för att förstå, diagnostisera och kontrollera CVD-processen och miljön för 2D-materialtillväxt, " skrev forskarna.

CVD är en vanlig process för att skapa tunna filmer, inklusive kommersiellt viktiga material i halvledarindustrin. I en typisk CVD-reaktion, ett platt materialark som kallas substrat placeras i en reaktionskammare och gaser strömmar genom kammaren på ett sådant sätt att de reagerar och bildar en fast film ovanpå substratet.

Ett mål med fältet är att utveckla datorprogramvara som exakt kan förutsäga egenskaperna hos en tunn film som kommer att resultera från blandning av specifika reaktantgaser under specifika förhållanden. Att skapa sådana modeller kompliceras av både en ofullständig förståelse av de fysikaliska och kemiska processer som äger rum under CVD och av förekomsten av dussintals CVD-reaktorformat.

Att katalogisera formen på kristaller som produceras av CVD-experiment kan ge materialforskare viktig information om deras syntes, på ungefär samma sätt som mineraloger hämtar värdefulla ledtrådar om jordens historia baserat på undersökning av naturligt förekommande kristallstrukturer, Lou och kollegor föreslog.

"Ta de vackra snöflingorna som exempel, ", skrev författarna. "Ett kanske överraskande faktum för många är att snökristaller kan uppvisa många olika kategorier av former, som beror på temperaturen och vattenövermättnaden i atmosfären där de bildas."

Den japanska vetenskapsmannen Ukichiro Nakaya, genom omfattande observationer av snöflingor i både naturen och laboratoriet, utvecklat en figur som kallas Nakaya-diagrammet för att hjälpa till att tyda informationen i snöflingor. Genom att undersöka formerna i en snöflinga, och se var de formerna ligger på Nakayas diagram, forskare kan bestämma de exakta atmosfäriska förhållandena som producerade snöflingan, som Nakaya poetiskt kallade "ett brev från himlen".

Inspirerad av Nakayas verk, Lou och kollegor skapade ett Nakaya-liknande diagram av 2D-kristallmönster som har producerats via CVD och demonstrerade hur det och andra morfologidiagram kunde användas för att härleda ledtrådar om processvariabler som gasflödeshastigheter och uppvärmningstemperaturer som producerade varje mönster.

Tack vare framsteg inom realtidsavbildning och i automatiserade system som kan producera stora datamängder av kristallstrukturer, författarna sa att det finns "verklig potential för utveckling av morfologidiagram att bli en vanlig praxis och fungera som en hörnsten i kristalltillväxt."