Forskare från Tokyo Metropolitan University har konstruerat en rad nya enkelväggiga övergångsmetalldikalkogenid (TMD) nanorör med olika sammansättningar, kiralitet och diametrar genom att malla bort bornitrid-nanorör. De insåg också ultratunna nanorör som odlats inuti mallen och skräddarsydda framgångsrikt kompositioner för att skapa en familj av nya nanorör. Möjligheten att syntetisera en mängd olika strukturer ger unika insikter i deras tillväxtmekanism och nya optiska egenskaper.
Verket publiceras i tidskriften Advanced Materials .
Kolnanoröret är ett under av nanoteknik. Tillverkad genom att rulla ihop ett atomärt tunt ark av kolatomer, den har exceptionell mekanisk styrka och elektrisk ledningsförmåga bland en rad andra exotiska optoelektroniska egenskaper, med potentiella tillämpningar i halvledare bortom kiselåldern.
De viktigaste egenskaperna hos kolnanorör kommer från subtila aspekter av deras struktur. Till exempel, som ett papper som rullas ihop i en vinkel, har nanorör ofta en kiralitet, en "handighet" i sin struktur som gör att de skiljer sig från sin spegelbild. Det är också därför som forskare ser framåt mot material bortom kol, vilket kan möjliggöra ett bredare utbud av strukturer.
En strålkastare är på övergångsmetalldikalkogenid (TMD)-föreningar, gjorda av övergångsmetaller och grupp 16-element. Det finns inte bara en hel familj av dem, TMD har funktioner som inte syns i kolnanorör, såsom supraledning och fotovoltaiska egenskaper, där exponering för ljus genererar en spänning eller ström.
För att komma till rätta med den fulla potentialen hos TMD måste forskare dock kunna göra enkelväggiga nanorör i en mängd olika sammansättningar, diametrar och kiralitet på ett sätt som låter oss studera deras individuella egenskaper. Detta har visat sig vara utmanande:TMD-nanorör bildas vanligtvis i koncentriska flerväggiga strukturer, där varje lager kan ha olika kiralitet. Det gör det svårt att till exempel ta reda på vilken typ av kiralitet som ger upphov till specifika egenskaper.
Nu har ett team ledd av assisterande professor Yusuke Nakanishi från Tokyo Metropolitan University kommit på ett sätt att göra just det. Genom att använda bornitrid nanorör som mall kunde de framgångsrikt odla en rad enkelväggiga TMD nanorör genom att lägga till de nödvändiga elementen genom exponering för ånga.
I tidigare arbeten gjorde de enkelväggiga nanorör av molybdensulfid. När de tittar på enskilda nanorör mer i detalj har de nu urskiljt en hel uppsjö av enkelväggiga rör med olika diametrar och kiralitet. Specifikt mätte de de "kirala vinklarna" för enskilda rör som tillsammans med deras diametrar bestämmer unika kirala strukturer.
De upptäckte, för första gången, att de kirala vinklarna på deras nanorör var slumpmässigt fördelade:detta betyder att de har tillgång till alla möjliga vinklar, vilket lovar nya insikter om förhållandet mellan kiralitet och elektroniska tillstånd, en viktig olöst fråga i fält. Det fanns också ultratunna rör bara några få nanometer tvärs över odlade inuti mallen, inte utanför, en unik plattform för att observera kvantmekaniska effekter.
Genom att justera sitt recept har teamet nu också lyckats byta både metallen och kalkogenet, vilket gör molybdenselenid, volframselenid och molybdenvolframsulfidlegering nanorör. De gjorde till och med nanorör med ett element på utsidan, ett annat på insidan, nanorör av "Janus"-typ uppkallade efter den romerska mytologins tvåsidiga gud.
Teamets olika nya inträden i nanorörsfamiljen lovar djärva nya framsteg inte bara i vår förståelse av TMD-nanorör, utan även hur exotiska egenskaper uppstår från deras strukturer.
Mer information: Yusuke Nakanishi et al, Structural Diversity of Single-Walled Transition Metal Dichalcogenide Nanorubs Grown via Template Reaction, Avancerade material (2023). DOI:10.1002/adma.202306631
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Tokyo Metropolitan University
