Rice University forskare utökade sin teknik för att producera grafen i en blixt för att skräddarsy egenskaperna hos 2D dikalkogenider molybdendisulfid och volframdisulfid, snabbt förvandla dem till metastabila metaller för elektroniska och optiska applikationer. Kredit:Tour Group/Rice University
Rice University forskare har utökat sin teknik för att producera grafen i en blixt för att skräddarsy egenskaperna hos andra 2D-material.
Labben för kemisten James Tour och materialteoretikern Boris Yakobson rapporterade i American Chemical Societys ACS Nano de har framgångsrikt "flashat" bulkmängder av 2-D dikalkogenider, ändra dem från halvledare till metalliska.
Sådana material är värdefulla för elektronik, katalys och som smörjmedel, bland andra applikationer.
Processen använder flash Joule-uppvärmning - med hjälp av en elektrisk laddning för att dramatiskt höja materialets temperatur - för att omvandla halvledande molybdendisulfid och volframdisulfid. Pulsens varaktighet och utvalda tillsatser kan också styra de nu metalliska produkternas egenskaper.
"Denna snabba process tillåter oss att tillverka en helt ny klass av högt värderade material i stor skala och utan användning av lösningsmedel eller vatten, " sa Tour.
Tvådimensionella dikalkogenider ser ut som hexagonal grafen från ovan, men att se dem från en vinkel avslöjar en sandwichliknande struktur. I molybdendisulfid, till exempel, ett enda plan av molybdenatomer sitter mellan liknande, men offset, plan av svavel.
Att tillverka varje material i dess metallfas (känd som 1T) krävde tidigare mycket mer komplexa processer, enligt forskarna. Även då, produkterna var kända för att vara instabila under omgivande förhållanden. Flash Joule-uppvärmning verkar lösa det problemet, producerar metastabila dikalkogenider på en tusendels sekund.
En elektronmikroskopbild visar volframdisulfid i dess metastabila 1T-tillstånd. De orange prickarna representerar svavelatomer, den blå representerar volfram. Forskare från Rice University använde flash Joule-uppvärmning för att skräddarsy egenskaperna hos 2D-dikalkogenider, snabbt förvandla dem till metastabila metaller för elektroniska och optiska applikationer. Kredit:Tour Group/Rice University
pulveriserad, kommersiellt tillgängliga dikalkogenider blandade med kimrök eller volframpulver för att öka deras ledningsförmåga placerades i ett keramiskt rör försedd med elektroder och flashade med mer än 1, 350 ampere kraft för en bråkdel av en sekund, kyldes sedan snabbt. Med röret under vakuum, främmande gaser ventilerades ut, lämnar mestadels rena metaller som ska skördas.
Enligt Yakobson-teamets beräkningar, den stora energitillförseln tvingar strukturella defekter att uppstå i materialens kristallgitter, lägga till negativa laddningar som gör 1T till den termodynamiskt föredragna fasen.
"Det är en intressant snabbspola inkarnation av Le Chateliers princip:Under spänning, materialet ändras till en mer ledande 1T-fas, för att motverka/minska de pålagda elektriska fälten, " sa medförfattaren Ksenia Bets, en forskare i Yakobson-gruppen. "Våra detaljerade beräkningar visar att den kinetiska vägen är indirekt:det sublimerande svavlet skapar ett vakansrikt gitter som energiskt föredrar en 1T-struktur."
Det faktum att förhållanden och tillsatser kan påverka slutprodukten bör leda till en systematisk studie om möjliga variationer, sa Tour.
Rice-studenten Weiyin Chen är huvudförfattare till tidningen. Ytterligare medförfattare är Rice-studenterna Zhe Wang, Emily McHugh, Wala Algozeeb och Jinhang Chen; postdoktorala forskarna Duy Xuan Luong och Bing Deng; alumner Muqing Ren och Michael Stanford; biträdande forskningsprofessor Hua Guo; forskare Guanhui Gao; och studenterna John Tianci Li och William Carsten.
Turnén är T.T. och W.F. Chao Chair i kemi samt professor i datavetenskap och i materialvetenskap och nanoteknik. Yakobson är Karl F. Hasselmann professor i materialvetenskap och nanoteknik och professor i kemi.
