Tvådimensionell, skiktade material lovar mycket för ett antal tillämpningar, såsom alternativa plattformar för nästa generations logik- och minnesenheter och flexibla energilagringsenheter. Det finns fortfarande mycket, dock, som fortfarande är okänt om dem.

Två studier från Judy Chas labb, Carol och Douglas Melamed docent i maskinteknik och materialvetenskap och medlem av Yale West Campus Energy Sciences Institute, svara på några avgörande frågor om dessa material. Båda studierna finansierades med anslag från Army Research Office (ARO), en del av U.S. Army Combat Capabilities Development Commands Army Research Laboratory, och har publicerats i Avancerat elektroniskt material.

I en tidning, Cha och hennes team av forskare, i samarbete med Yale kemiprofessorer Nilay Hazari och Hailiang Wang, experimentellt mätt de exakta dopningseffekterna av små molekyler på 2-D-material - ett första steg mot att skräddarsy molekyler för att modulera de elektriska egenskaperna hos 2-D-material. I processen att göra det, de uppnådde också en mycket hög dopningskoncentration.

Doping – tillsats av föroreningar som bor eller fosfor till kisel, till exempel – är avgörande för att utveckla halvledare. Det möjliggör inställning av bärartätheterna - antalet elektroner och andra laddningsbärare - för att producera en funktionell enhet. Konventionella dopningsmetoder, dock, tenderar att vara för energikrävande och potentiellt skadliga för att fungera bra för 2D-material.

Istället, eftersom 2D-material är i stort sett alla ytor, forskare kan sprinkla små molekyler som kallas organiska elektrondonatorer (OED) på ytorna, och aktivera 2D-materialen – dvs. skapa ytfunktionalisering. Tack vare organisk kemi, metoden är anmärkningsvärt effektiv. Det breddar också valet avsevärt för det material som används. För denna studie, Cha använde molybdendisulfid (MoS ₂ ).

Dock, för att ytterligare optimera dessa material, forskare behöver en högre grad av precision. De behöver veta hur många elektroner varje molekyl i OED donerar till 2D-materialet, och hur många molekyler som behövs totalt.

"Genom att göra så, vi kan gå framåt och designa ordentligt, att veta hur man justerar molekylerna och sedan ökar bärartätheterna, " sa Cha.

För att göra denna kalibrering, Cha och hennes team använde atomkraftsmikroskopi vid Imaging Core på Yales västra campus. För sitt material, de uppnådde en dopningseffektivitet på ungefär en elektron per molekyl, vilket gjorde det möjligt för dem att visa den högsta dopingnivån som någonsin uppnåtts i MoS2. Detta var möjligt endast genom de exakta mätningar som gjordes.

"Nu när vi känner till dopningskraften, vi är inte längre i det mörka utrymmet av att inte veta var vi är, " sa hon. "Innan, vi kunde dopa men kunde inte veta hur effektiv den dopningen är. Nu har vi några målelektrondensiteter som vi vill uppnå och vi känner att vi vet hur vi ska nå dit."

I en andra tidning, Chas team tittade på effekterna av mekanisk belastning på beställningen av litium i litiumjonbatterier.

Nuvarande kommersiella litiumjonbatterier använder grafit som anod. När litium förs in i mellanrummen mellan grafenskikten som bildar grafit, mellanrummen måste expandera för att ge plats åt litiumatomerna.

"Så vi frågade 'Tänk om du stoppade den här expansionen?'" sa Cha. "Vi fann att lokal påfrestning påverkar ordningen av litiumjonen. Litiumjonerna blir effektivt bromsade."

När det finns en påfrestning energi, litium kan inte röra sig lika fritt som tidigare, och mer energi krävs för att tvinga litiumet till dess föredragna konfiguration.

Genom att beräkna de exakta effekterna av stamenergin, Chas forskargrupp kunde exakt visa hur mycket litiumatomerna saktar ner.

Studien har bredare implikationer, särskilt om fältet flyttar bort från litiumbatterier till förmån för de som är gjorda av andra mer lättillgängliga material, såsom natrium eller magnesium, som även kan användas för uppladdningsbara batterier.

"Natrium och magnesium är mycket större, så gapet behöver utökas mycket mer jämfört med litium, så effekterna av påfrestningar blir mycket mer dramatiska, " sa hon. Experimenten i studien ger en liknande förståelse av effekterna som mekanisk belastning kan ha på dessa andra material.

ARO-forskare sa att Chas studier kommer att vara till stor hjälp för att främja deras eget arbete.

"Resultaten som erhållits i dessa två studier relaterade till nya tvådimensionella material är av stor betydelse för att utveckla framtida avancerade arméapplikationer inom avkänning och energilagring, " sa Dr Pani Varanasi, filialchef, ARO.