Typisk monolager och enkristall WS2 odlad med en ny övervaknings- och analysmetod. Kredit:Toshiaki Kato
Vanligtvis uppvisar endast ett atomtjockt 2D-material mycket önskvärda egenskaper för avancerad teknologi, såsom flexibilitet, supraledning och mer. Tillverkade av att noggrant överföra enskilda komponenter från gas eller ånga till kristallina fasta ämnen, är sådana material och mekanismerna genom vilka de blir genomsyrade av sådana egenskaper fortfarande höljda i mystik.
Nu, genom en ny övervaknings- och analysmetod, har forskare under ledning av Toshiaki Kato vid Tohoku University avslöjat en kritisk mekanism i utvecklingen av 2D monolager övergångsmetalldikalkogenid (TMD). De publicerade sitt tillvägagångssätt och sina resultat den 15 november i Scientific Reports .
"TMD är bland de mest välkända skiktade materialen", säger pappersförfattaren Toshiaki Kato, docent vid Institutionen för elektronikteknik vid Tohoku University, och noterar att stora enstaka lager av materialet möjliggörs genom tillsats av salter. "Att förbättra kvaliteten på TMD är nödvändigt för att förverkliga framtida flexibla och transparenta elektriska enheter, såsom sensorer, solceller och ljussändare."
TMD utvecklas genom att förånga ett metalloxidpulver och tillsätta salter. Konventionella tillvägagångssätt upprätthåller höga temperaturer, vilket tvingar molekylerna i metalloxid-saltångan att omordnas direkt till ett kristallint fast ämne. Denna omarrangering av molekyler är känd som kärnbildning, och den växer in i monoskiktet TMD. Men att sänka smält- och kokpunkterna för metalloxiden förstärker denna övergång genom att tillåta de förångade molekylerna att övermätta sin miljö och producera en flytande fas innan de arrangeras till ett fast ämne.
"Övermättnad av metalloxid i ångfasen främjar skapandet av vätskefas-prekursorer, känd som prekursorpölen, som främjar ång-vätske-fast-tillväxt jämfört med konventionell ång-fast-tillväxt," sa Kato och noterade att ångans tillväxthastighet. -vätske-fast TMD är minst två storleksordningar högre än den för ångfast TMD. "Trots dessa framsteg har den kritiska dynamiken i kärnbildningsfasen ännu inte klarlagts för saltstödd tillväxt; att uppnå detta är avgörande för både grundläggande och industriella tillämpningar."
För att bättre förstå kärnbildningen av ånga-vätska-fast TMD, etablerade forskarna ett bildövervakningssystem för hur ångkemikalierna avsattes som ett fast ämne i TMD-syntesen.
"I den här studien insåg vi den direkta visualiseringen av fasövergången från flytande prekursorer till fast TMD genom att övervaka den kemiska ångavsättningen och automatiserad bildanalys," sa Kato. "Genom detta tillvägagångssätt hittade vi en ny kärnbildningsmekanism."
I ångfast-tillväxt omorganiseras ångans molekyler direkt i det fasta ämnet. Forskarna fann att, i ånga-vätske-fast tillväxt, går molekylerna igenom en tvåstegs kärnbildningsprocess:Ångan omvandlas till vätskedroppar, som formas till stabila men föränderliga kluster. När temperaturen ändras bildar molekylklustren de kristallina fasta ämnena.
"En sådan detaljerad förståelse av TMD-kärnbildningsdynamiken kan vara användbar för att uppnå prefektstrukturkontroll av TMD, vilket skulle vara användbart för framtida industriella tillämpningar," sa Kato. "Vår uppfunna metod för att övervaka kemisk ångavsättning och automatiserad bildanalys skulle också kunna tillämpas på andra nanomaterial för att djupare förstå deras kärnbildnings- och tillväxtmekanismer."
Forskarna planerar nästa att utnyttja den nyligen avslöjade kärnbildningsmekanismen för att syntetisera ultrahög kvalitet TMD. + Utforska vidare
