Tre gasfasmolekyler reagerar vid höga temperaturer under kemisk ångavsättning och bildar molybdendisulfid, en tvådimensionell halvledare som kan användas i nästa generations elektronik. I den här illustrationen, molybdenatomer är lila, syre är rött och svavel är gult. Kredit:Jincheng Lei/Rice University
Vetenskapliga studier som beskriver de mest grundläggande processerna har ofta störst genomslag i det långa loppet. Ett nytt arbete av Rice Universitys ingenjörer kan vara ett sådant, och det är en gas, gas, gas för nanomaterial.
Rismaterialteoretikern Boris Yakobson, doktorand Jincheng Lei och alumn Yu Xie från Rice's Brown School of Engineering har avslöjat hur ett populärt 2D-material, molybdendisulfid (MoS 2 ), blinkar till under kemisk ångavsättning (CVD).
Att veta hur processen fungerar kommer att ge forskare och ingenjörer ett sätt att optimera bulktillverkningen av MoS 2 och andra värdefulla material klassade som övergångsmetalldikalkogenider (TMD), halvledande kristaller som är bra insatser för att hitta ett hem inom nästa generations elektronik.
Deras studie i tidskriften American Chemical Society ACS Nano fokuserar på MoS 2 s "förhistoria, " speciellt vad som händer i en CVD-ugn när alla fasta ingredienser är på plats. CVD, ofta förknippad med grafen och kolnanorör, har utnyttjats för att göra en mängd olika 2D-material genom att tillhandahålla fasta prekursorer och katalysatorer som sublimeras till gas och reagerar. Kemin dikterar vilka molekyler som faller ut ur gasen och sätter sig på ett substrat, som koppar eller silikon, och sätt ihop till en 2D-kristall.
Problemet har varit att när ugnen väl går igång, det är omöjligt att se eller mäta den komplicerade reaktionskedjan i den kemiska grytan i realtid.
"Hundratals labb lagar dessa TMDs, helt omedveten om de invecklade omvandlingarna som sker i den mörka ugnen, sa Yakobson, Karl F. Hasselmann professor i materialvetenskap och nanoteknik och professor i kemi. "Här, vi använder kvantkemiska simuleringar och analyser för att avslöja vad som finns där, i mörkret, som leder till syntes."
Yakobsons teorier leder ofta till att experimentalister gör sina förutsägelser sanna. (Till exempel, bor buckyballs.) Den här gången, rislaboratoriet bestämde vägen för molybdenoxid (MoO 3 ) och svavelpulver tar för att avsätta ett atomärt tunt gitter på en yta.
Det korta svaret är att det tar tre steg. Först, de fasta ämnena sublimeras genom uppvärmning för att ändra dem från fast till gas, inklusive vad Yakobson kallade en "vacker" ringmolekyl, trimolybdennonoxid (Mo 3 O 9 ). Andra, de molybdenhaltiga gaserna reagerar med svavelatomer under hög värme, upp till 4, 040 grader Fahrenheit. Tredje, molybden- och svavelmolekyler faller till ytan, där de kristalliseras in i det jack-liknande gallret som är karakteristiskt för TMD.
Det som händer i mittsteget var mest intressant för forskarna. Laboratoriets simuleringar visade att en trio av huvudgasfasreaktanter är de främsta misstänkta för att göra MoS 2 :Svavel, den ringliknande Mo 3 O 9 molekyler som bildas i svavels närvaro och den efterföljande hybriden av MoS 6 som bildar kristallen, frigör överskott av svavelatomer i processen.
Lei sa att simuleringarna av molekylär dynamik visade aktiveringsbarriärerna som måste övervinnas för att förflytta processen, vanligtvis i pikosekunder.
"I vår simulering av molekylär dynamik, vi finner att denna ring öppnas av sin interaktion med svavel, som angriper syre kopplat till molybdenatomerna, " sa han. "Ringen blir en kedja, och ytterligare interaktioner med svavelmolekylerna separerar denna kedja till molybdensulfidmonomerer. Den viktigaste delen är att kedjan bryts, som övervinner den högsta energibarriären."
Den insikten kan hjälpa laboratorier att effektivisera processen, sa Lei. "Om vi kan hitta prekursormolekyler med bara en molybdenatom, vi skulle inte behöva övervinna den höga barriären att bryta kedjan, " han sa.
Yakobson sa att studien kan gälla andra TMD.
"Fynden ger ofta upphov till empirisk nanoteknik för att bli en grundläggande vetenskapsledd strävan, där processer kan förutsägas och optimeras, " han sa, noterar att även om kemin har varit allmänt känd sedan upptäckten av TMD fullerener i början av 90-talet, att förstå detaljerna kommer att främja utvecklingen av 2-D-syntes.
"Först nu kan vi "sekvensera" den inblandade steg-för-steg-kemin, " sa Yakobson. "Det gör att vi kan förbättra kvaliteten på 2D-material, och se även vilka gasbiprodukter som kan vara användbara och fångas på vägen, öppna möjligheter för kemiteknik."
