Ultratunna material som grafen lovar en revolution inom nanovetenskap och teknik. Forskare vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, har publicerat en studie i Naturkommunikation där de presenterar en metod för att kontrollera kanterna på tvådimensionella material med hjälp av en "magisk" kemikalie.

"Vår metod gör det möjligt att kontrollera kanterna - atom för atom - på ett sätt som är både enkelt och skalbart, använder endast mild uppvärmning tillsammans med riklig, miljövänliga kemikalier, som väteperoxid, säger Battulga Munkhbat, en postdoktor vid institutionen för fysik vid Chalmers tekniska högskola, och första författare till tidningen.

Material så tunna som bara ett enda atomlager är kända som tvådimensionella, eller 2D, material. Det mest kända exemplet är grafen, samt molybdendisulfid, dess halvledaranalog. Framtida utveckling inom området skulle kunna dra nytta av att studera en speciell egenskap som är inneboende hos sådana material - deras kanter. Att kontrollera kanterna är ett utmanande vetenskapligt problem, eftersom de är väldigt olika i jämförelse med huvuddelen av ett 2D-material. Till exempel, en specifik typ av kant som finns i övergångsmetalldikalkogenider (känd som TMD, såsom den tidigare nämnda molybdendisulfiden), kan ha magnetiska och katalytiska egenskaper.

Typiska TMD-material har kanter som kan finnas i två distinkta varianter, känd som sicksack eller fåtölj. Dessa alternativ är så olika att deras fysikaliska och kemiska egenskaper inte alls är lika. Till exempel, beräkningar förutspår att sicksackkanter är metalliska och ferromagnetiska, medan fåtöljens kanter är halvledande och icke-magnetiska. I likhet med dessa anmärkningsvärda variationer i fysikaliska egenskaper, man kan förvänta sig att de kemiska egenskaperna hos sicksack- och fåtöljkanter också är mycket olika. Om så är fallet, det kan vara möjligt att vissa kemikalier kan lösa upp fåtöljens kanter, samtidigt som de lämnar sicksack opåverkade.

Nu, En sådan magisk kemikalie är precis vad Chalmersforskarna har hittat – i form av vanlig väteperoxid. I början, forskarna var helt förvånade över de nya resultaten.

"Det var inte bara det att en typ av kant var dominerande över de andra, men också att de resulterande kanterna var extremt skarpa - nästan atomärt skarpa. Detta indikerar att den "magiska" kemikalien fungerar på ett så kallat självbegränsande sätt, ta bort oönskat material atom för atom, så småningom resulterar i kanter vid den atomärt skarpa gränsen. De resulterande mönstren följde den kristallografiska orienteringen av det ursprungliga TMD-materialet, producerar vackra, atomärt vassa hexagonala nanostrukturer, säger Battulga Munkhbat.

"En oerhört fascinerande utveckling"

Den nya metoden, som inkluderar en kombination av standard litografiska metoder uppifrån och ned med en ny anisotropisk våtetsningsprocess, gör det därför möjligt att skapa perfekta kanter i tvådimensionella material.

"Denna metod öppnar nya och oöverträffade möjligheter för van der Waals material (skiktade 2-D material). Vi kan nu kombinera kantfysik med 2-D fysik i ett enda material. Det är en extremt fascinerande utveckling, " säger Timur Shegai, Docent vid institutionen för fysik på Chalmers och ledare för forskningsprojektet.

Dessa och andra relaterade material lockar ofta stor forskningsuppmärksamhet, eftersom de möjliggör avgörande framsteg inom nanovetenskap och teknik, med potentiella tillämpningar som sträcker sig från kvantelektronik till nya typer av nano-enheter. Dessa förhoppningar manifesteras i flaggskeppet grafen, Europas största forskningsinitiativ någonsin, som koordineras av Chalmers tekniska högskola.

För att göra den nya tekniken tillgänglig för forskningslaboratorier och högteknologiska företag, forskarna har grundat ett nystartat företag som erbjuder högkvalitativa atomärt vassa TMD-material. Forskarna planerar också att vidareutveckla applikationer för dessa atomärt vassa metamaterial.