Forskare från Skoltech Center for Energy Science and Technology (CEST) har utvecklat en metod för att modellera beteendet hos 2D-material under tryck. Forskningen kommer att bidra till att skapa trycksensorer baserade på silicen eller andra 2D-material. Tidningen publicerades i ACS Nano tidning.

silicen, som betraktas som kiselanalogen till grafen, är en tvådimensionell allotrop av kisel. I sitt normala tillstånd, ett bulkkisel är en halvledare med en struktur av diamantkristalltyp. När det tunnas ner till ett eller flera lager, dess egenskaper förändras dramatiskt. Dock, det har ännu inte varit möjligt att studera förändringen i de elektroniska egenskaperna hos 2D-material vid högt tryck.

Forskare från Ryssland, Italien, Förenta staterna, och Belgien har utvecklat en teoretisk forskningsmetod som bygger på kvantkemi för att studera de elektroniska egenskaperna hos 2D-material under tryck med silicen som exempel. I motsats till kol, som är stabil i både 3D- och 2D-tillstånd, silicen är metastabilt och lätt att interagera med miljön.

"Kisel är en halvledare i sitt bulktillstånd och en metall i 2D-tillstånd. Egenskaperna hos enskikts- och flerskiktssilicen studeras i stor utsträckning teoretiskt. Silicen är korrugerad snarare än platt på grund av växelverkan mellan de närliggande kiselatomerna. En ökning av trycket bör platta ut silicen och ändra dess egenskaper, men denna effekt kan ännu inte undersökas experimentellt, " förklarar Skoltech-forskaren Christian Tantardini.

I de flesta fallen, experimentella verktyg som används för att applicera tryck på materialet längs axeln vinkelrät mot dess plan producerar samtidigt kompression i riktningarna i planet av 2D-material. Således, de resulterande mätningarna skulle knappast vara korrekta, så just nu verkar modellering vara det enda rimliga tillvägagångssättet.

"I vårat fall, ett nytt teoretiskt förhållningssätt var den enda lösningen. Eftersom tryck endast appliceras i en riktning, vi simulerar komprimeringen av vårt material och försöker ta reda på vad som är orsaken till förändringarna i den elektroniska strukturen, arrangemang av kiselatomer och deras hybridisering under olika tryck, och varför skikten plattar ut, ", kommenterar Skoltech Senior Research Scientist Alexander Kvashnin.

Noggrann förutsägelse av beteendet hos silicen eller andra 2D-material under tryck skulle göra silicen till en lovande kandidat för trycksensorer. När den placeras inuti sensorn, silicen kan hjälpa till att bestämma tryck baserat på materialets svar på kompression. Den här typen av sensorer kan användas, till exempel, i borriggar med högt krav på tryckreglering för att öka borrkraften utan att skada utrustningen.

"Vi använde silicen i vår modelleringsstudie för att testa metoden som också skulle kunna fungera för andra 2D-material, inklusive mer stabila sådana som redan tillverkas och används i stor utsträckning, vid nolltryck", säger Xavier Gonze, en gästprofessor vid Skoltech och en professor vid Université catholique de Louvain (UCLouvain) i Belgien.