Materialforskare vid Rice University kastar ljus över de intrikata tillväxtprocesserna för 2D-kristaller, vilket banar väg för kontrollerad syntes av dessa material med oöverträffad precision.
Tvådimensionella material som grafen och molybdendisulfid (MoS2 ) uppvisar unika egenskaper som har enorma löften för tillämpningar inom elektronik, sensorer, energilagring, biomedicin och mer. Deras komplexa tillväxtmekanismer – inkonsekventa korrelationer finns mellan hur förutsättningarna för tillväxt påverkar formerna på kristaller – har dock utgjort en betydande utmaning för forskare.
Ett forskarlag vid Rices George R. Brown School of Engineering tacklade denna utmaning genom att utveckla ett specialbyggt miniatyriserat kemisk ångavsättningssystem (CVD) som kan observera och registrera tillväxten av 2D MoS2 kristaller i realtid. Verket publiceras online i tidskriften Nano Letters .
Genom att använda avancerad bildbehandling och maskininlärningsalgoritmer kunde forskarna extrahera värdefulla insikter från realtidsfilmerna, inklusive förmågan att förutsäga de förhållanden som behövs för att växa mycket stora, enskiktiga MoS2 kristaller.
Studiens medförfattare Jun Lou, professor och biträdande ordförande vid Institutionen för materialvetenskap och nanoteknik vid Rice, sa att detta tvärvetenskapliga tillvägagångssätt representerar ett viktigt steg framåt inom området för skalbar syntes av 2D-material.
"Genom att kombinera experimentella observationer i realtid med banbrytande maskininlärningstekniker har vi visat potentialen att förutsäga och kontrollera tillväxten av 2D-kristaller med utmärkt noggrannhet," sa Lou.
Forskargruppens resultat har långtgående konsekvenser för framtiden för 2D-material. Drivs av deras framgång med MoS2 , tror forskarna att deras tillvägagångssätt kan utvidgas till andra 2D-material och heterostrukturer, och erbjuder en kraftfull plattform för att designa och konstruera nästa generations 2D-material med skräddarsydda egenskaper.
"Till exempel, inom elektronik, att kunna syntetisera robusta 2D-kristaller som MoS2 i stor skala kan det leda till snabbare och mer effektiva enheter", sa Lou. "I sensorer kan det leda till känsligare och selektivare enheter."
"Denna forskning är ett viktigt steg mot att förverkliga den fulla potentialen hos 2D-material och banar väg för utvecklingen av innovativ teknik som kan revolutionera ett brett spektrum av industrier", säger Ming Tang, docent i materialvetenskap och nanoteknik och studiesamarbete. författare.
Jing Zhang, Tianshu Zhai, Faizal Arifurrahman, Yuguo Wang, Andrew Hitt, Zelai He, Qing Ai, Yifeng Liu, Chen-Yang Lin och Yifan Zhu följer med Lou och Tang i studien från risavdelningen för materialvetenskap och nanoteknik.
Mer information: Jing Zhang et al, Toward Controlled Synthesis of 2D Crystals by CVD:Learning from the Real-Time Crystal Morphology Evolutions, Nano Letters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c04016
Tillhandahålls av Rice University
