Nya 2D-material har potential att transformera teknik, med applikationer från solceller till smartphones och bärbar elektronik, förklarar UMBC:s Can Ataca, biträdande professor i fysik. Dessa material består av ett enda lager av atomer bundna till en kristallstruktur. Faktiskt, de är så tunna att en stapel på 10 miljoner av dem bara skulle vara 1 millimeter tjock. Och ibland, Ataca säger, mindre är mer. Vissa 2D-material är mer effektiva och effektiva än liknande material som är mycket tjockare.

Trots sina fördelar, dock, 2D-material är för närvarande svåra och dyra att tillverka. Det betyder att forskarna som försöker skapa dem måste göra noggranna val om hur de investerar sin tid, energi, och medel under utveckling.

Ny forskning av Daniel Wines, Ph.D. kandidat i fysik, och Ataca ger dessa forskare den information de behöver för att bedriva forskning med hög effekt på detta område. Deras teoretiska arbete ger tillförlitlig information om vilka nya material som kan ha önskvärda egenskaper för en rad applikationer och som kan finnas i en stabil form i naturen. I en nyligen publicerad tidning i ACS tillämpade material och gränssnitt, de använde banbrytande datormodelleringstekniker för att förutsäga egenskaperna hos 2D-material som ännu inte har tillverkats i verkligheten.

"Vi brukar försöka ligga fem eller så år före experimentalister, säger Wines. På det sättet, de kan undvika att gå ner i dyra återvändsgränder. "Det är dags, ansträngning, och pengar som de kan fokusera på andra saker."

Den perfekta mixen

Det nya dokumentet fokuserar på stabiliteten och egenskaperna hos 2D-material som kallas grupp III-nitrider. Dessa är blandningar av kväve och ett grundämne från grupp III i det periodiska systemet, som inkluderar aluminium, gallium, indium, och bor.

Forskare har redan gjort några av dessa 2D-material i små mängder. Istället för att titta på blandningar av ett av grundämnena i grupp III med kväve, dock, Viner och Ataca-modellerade legeringar – blandningar inklusive kväve och två olika grupp III-element. Till exempel, de förutspådde egenskaperna hos material gjorda av mestadels aluminium, men med lite gallium tillsatt, eller mest gallium, men med lite indium tillsatt.

Dessa "mellan"-material kan ha mellanliggande egenskaper som kan vara användbara i vissa tillämpningar. "Genom att göra denna legering, vi kan säga, Jag har orange ljus, men jag har material som kan absorbera rött ljus och gult ljus, "Säger Ataca. "Så hur kan jag blanda det så att det kan absorbera det orange ljuset?" Att justera ljusabsorptionsförmågan hos dessa material kan förbättra effektiviteten hos solenergisystem, till exempel.

Framtidens legeringar

Ataca och Wines tittade också på materials elektriska och termoelektriska egenskaper. Ett material har termoelektrisk förmåga om det kan generera elektricitet när den ena sidan är kall och den andra är varm. De grundläggande grupp III-nitriderna har termoelektriska egenskaper, "men vid vissa koncentrationer, de termoelektriska egenskaperna hos legeringar är bättre än de grundläggande grupp III-nitriderna, " säger Ataca.

Vin lägger till, "Det är den främsta motivationen för att göra legeringen - egenskapernas avstämbarhet."

De visade också att inte alla legeringar skulle vara stabila i verkligheten. Till exempel, blandningar av aluminium och bor vid alla koncentrationer var inte stabila. Dock, fem olika förhållanden av gallium-aluminiumblandningar var stabila.

När produktionen av de grundläggande grupp III-nitriderna blir mer tillförlitlig och skalas upp, Wines och Ataca förväntar sig att forskare ska arbeta med att konstruera materialen för specifika tillämpningar med deras resultat som vägledning.

Tillbaka till grunderna...med superdatorer

Wines och Ataca modellerade materialens egenskaper med hjälp av superdatorer. Istället för att använda experimentella data som indata för sina modeller, "Vi använder grunderna i kvantmekaniken för att skapa dessa egenskaper. Så det positiva är att vi inte har några experimentella fördomar, " Ataca säger. "Vi arbetar med saker som inte har några experimentella bevis tidigare. Så det här är ett pålitligt tillvägagångssätt."

För att få de mest exakta resultaten krävs enorma mängder datorkraft och tar lång tid. Att köra sina modeller med högsta noggrannhetsnivå kan ta flera dagar.

"Det är ungefär som att berätta en historia, " säger Wines. "Vi går igenom den mest grundläggande nivån för att screena materialen, " som bara tar ungefär en timme. "Och sedan går vi till de högsta nivåerna av noggrannhet, använder de mest kraftfulla datorerna, för att hitta de mest exakta parametrarna som möjligt."

"Jag tror att den vackra delen av dessa studier är att vi började på grunderna och vi bokstavligen gick upp till den mest exakta nivån inom vårt område, Ataca tillägger. "Men vi kan alltid begära mer."

En ny gräns

De har fortsatt att röra sig framåt till okänt vetenskapligt territorium. I en annan tidning, publiceras inom en vecka efter den första in ACS tillämpade material och gränssnitt , Theodosia Gougousi, professor i fysik; Jaron Kropp, Ph.D. '20, fysik; och Ataca visade ett sätt att integrera 2D-material i verkliga enheter.

2D-material behöver ofta fästas på en elektronisk krets i en enhet. Ett mellanlager krävs för att skapa den kopplingen – och teamet hittade ett som fungerar. "Vi har en molekyl som kan göra detta, som kan skapa en koppling till materialet, för att använda den för externa kretsapplikationer, " säger Ataca.

Detta resultat är en stor sak för implementering av 2D-material. "Detta arbete kombinerar grundläggande experimentell forskning om de processer som sker på ytan av 2-D atomära kristaller med detaljerad beräkningsutvärdering av systemet, " säger Gougousi. "Det ger vägledning till enhetsgemenskapen så att de framgångsrikt kan integrera nya material i traditionella enhetsarkitekturer."

Samarbete över discipliner

De teoretiska analyserna för detta arbete gjordes i Atacas labb, och experimenten ägde rum i Gougousis labb. Kropp arbetade i båda grupperna.

"Projektet exemplifierar den synergi som krävs för vetenskap och teknikutveckling och framsteg, " säger Gougousi. "Det är också ett bra exempel på de möjligheter som våra doktorander har att arbeta med problem av stort tekniskt intresse, och att utveckla en bred kunskapsbas och en unik uppsättning tekniska färdigheter."

Kropp, vem är första författare på den andra uppsatsen, är glad över att ha fått denna forskningserfarenhet.

"2D-halvledare är spännande eftersom de har potential för tillämpningar i icke-traditionella elektroniska enheter, som bärbar eller flexibel elektronik, eftersom de är så tunna, " säger han. "Jag hade turen att ha två utmärkta rådgivare, eftersom detta gjorde det möjligt för mig att kombinera det experimentella och teoretiska arbetet sömlöst. Jag hoppas att resultaten av detta arbete kan hjälpa andra forskare att utveckla nya enheter baserade på 2D-material."