Genom att stapla lager av olika 2D-material är det nu möjligt att skapa 2.5D-material med unika fysikaliska egenskaper som kan användas i solceller, kvantenheter och enheter med mycket låg energiförbrukning. Kredit:STAM
Forskare undersöker nya sätt att artificiellt stapla tvådimensionella (2D) material, och introducerar så kallade 2.5D-material med unika fysikaliska egenskaper. Forskare i Japan granskade de senaste framstegen och tillämpningarna av 2.5D-material i tidskriften Science and Technology of Advanced Materials .
"2.5D-konceptet symboliserar frihet från sammansättning, material, vinklar och utrymme som vanligtvis används i 2D-materialforskning", förklarar nanomaterialforskaren och huvudförfattaren Hiroki Ago vid Kyushu University i Japan.
2D-material, som grafen, består av ett enda lager av atomer och används i applikationer som flexibla pekpaneler, integrerade kretsar och sensorer.
Nyligen har nya metoder introducerats för att göra det möjligt att artificiellt stapla 2D-material vertikalt, i plan eller i vridna vinklar oavsett deras sammansättning och struktur. Detta tack vare förmågan att kontrollera van der Waals-krafterna:svag elektrisk interaktion mellan atomer och molekyler, liknande en mikrofiberduks attraktion av damm. Det är nu också möjligt att integrera 2D-material med andra dimensionella material, såsom joner, nanorör och bulkkristaller.
En vanlig metod för att tillverka 2.5D-material är kemisk ångavsättning (CVD), som avsätter ett lager, en atom eller molekyl åt gången, på en fast yta. Vanligt använda byggstenar för 2,5D-material inkluderar grafen, hexagonal bornitrid (hBN) (en förening som används inom kosmetik och flygteknik) och övergångsmetalldikalkogenider (TMDC) (en nanosheet-halvledare).
Med hjälp av CVD-metoden syntetiserade forskare selektivt ett dubbelskikt av grafen, den enklaste formen av ett 2,5D-material, med en koppar-nickelfolie med relativt hög nickelkoncentration som katalysator. Nickel gör kol mycket lösligt, vilket ger forskare mer kontroll över antalet grafenlager. När ett elektriskt fält applicerades vertikalt över dubbelskiktet av grafen, öppnade det ett bandgap, vilket betyder att dess ledningsförmåga kan slås på och av. Detta är ett fenomen som inte observeras i monolagergrafen eftersom det inte har något bandgap och förblir på hela tiden. Genom att luta staplingsvinkeln en grad fann forskare att materialet blev supraledande.
På liknande sätt fann en annan grupp i Storbritannien och USA att ett lager av grafen och hBN resulterar i kvant-Hall-effekten, ett ledningsfenomen som involverar ett magnetfält som ger en potentialskillnad. Andra visade att stapling av TMDC fångar excitoner (elektroner parade med deras tillhörande hål i ett bundet tillstånd) i de överlappande gittermönstren. Detta kan leda till applikationer i informationslagringsenheter. Nya robotsammansättningstekniker har också gjort det möjligt att bygga mer komplexa vertikala strukturer, inklusive en staplad heterostruktur bestående av 29 alternerande lager av grafen och hBN, till exempel.
Annan forskning har använt nanorymden som bildas mellan skikten i ett 2,5D-material för att infoga molekyler och joner för att förbättra de elektriska, magnetiska och optiska egenskaperna hos värdmaterialet.
Hittills har forskare till exempel funnit att grafen stabiliserar järnklorid när det sätts in mellan dess staplade skikt, medan införande av litiumjoner leder till en snabbare diffusionshastighet (hur snabbt molekyler sprids i ett område) än för grafit, en elektrisk ledare används i batterier. Detta innebär att materialet kan användas i högpresterande uppladdningsbara batterier.
Dessutom fann forskare att införande av aluminiumkloridmolekyler mellan två grafenskivor leder till bildandet av nya kristallina strukturer som är helt olika från bulk-aluminiumkloridkristallen. Mer forskning behövs för att förstå varför detta händer och vilka tillämpningar det kan ha.
"Det finns många möjligheter att utforska med detta nya 2.5D-koncept", säger Ago.
Framtida tillämpningar av 2.5D-material inkluderar solceller, batterier, flexibla enheter, kvantenheter och enheter med mycket låg energiförbrukning.
Nästa steg bör inkludera maskininlärning, djupinlärning och materialinformatik för att ytterligare främja designen och syntesen av 2.5D-material. + Utforska vidare
