Egenskaperna hos nanorbandskanter är viktiga för deras tillämpningar i elektroniska enheter, sensorer och katalysatorer. En grupp forskare från Japan och Kina studerade det mekaniska svaret av enkelskiktiga molybdendisulfid nanoband med fåtöljekanter med hjälp av in situ transmissionselektronmikroskopi.
De visade att nanorribbon Youngs modul varierade omvänt med dess bredd under bredden på 3nm, vilket indikerar en högre bindningsstyvhet för fåtöljens kanter. Deras arbete, publicerat i tidskriften Advanced Science , var medförfattare av docent Kenta Hongo och professor Ryo Maezono från JAIST och lektor Chunmeng Liu och lektor Jiaqi Zhang från Zhengzhou University, Kina.
Sensorer har blivit allestädes närvarande i den moderna världen, med tillämpningar som sträcker sig från att upptäcka sprängämnen, mäta fysiologiska toppar av glukos eller kortisol på ett icke-invasivt sätt till att uppskatta nivåerna av växthusgaser i atmosfären.
Den primära tekniken som krävs för sensorer är en mekanisk resonator. Traditionellt har kvartskristaller använts för detta ändamål på grund av deras höga styvhet och lättillgänglighet. Denna teknik har dock nyligen gett vika för avancerade nanomaterial. Ett sådant lovande material är den enkelväggiga molybdendisulfiden (MoS2 ) nanoband.
Att karakterisera de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos nanorbandskanter är avgörande för deras tillämpningar i elektroniska enheter, sensorer och katalysatorer. Men det mekaniska svaret från MoS2 nanoband – som förväntas vara beroende av sin kantstruktur – har förblivit outforskade, vilket hindrar deras praktiska implementering i tunna resonatorer.
Mot denna bakgrund undersökte en grupp forskare från Japan och Kina, ledd av professor Yoshifumi Oshima från Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), de mekaniska egenskaperna – nämligen Youngs modul – hos enskikts MoS2 nanorband med fåtöljkanter som funktion av deras bredd med hjälp av en mikromekanisk mätmetod.
Prof. Oshima säger:"Vi har utvecklat världens första mikromekaniska mätmetod för att klargöra förhållandet mellan atomarrangemanget av material i atomskala och deras mekaniska styrka genom att införliva en kvartsbaserad längdförlängningsresonator (LER) i en in situ transmissionselektron. mikroskopi (TEM) hållare."
Eftersom resonansfrekvensen för en kvartsresonator ändras när den känner av kontakt med ett material, kan materialets ekvivalenta fjäderkonstant uppskattas med hög precision genom förändringen i denna resonansfrekvens. Dessutom är det möjligt att ta högupplösta TEM-bilder eftersom LER-vibrationsamplituden som krävs för mätningen är så liten som 27 pm. Följaktligen lyckades den nya metoden som utvecklats av forskarna övervinna bristerna med konventionella tekniker och uppnå högprecisionsmätningar.
Forskarna syntetiserade först en MoS2 i ett lager nanoband genom att dra av det yttersta lagret av den vikta kanten på en MoS2 flerskikt med hjälp av en volframspets. Enkellagers nanobandet stöddes mellan flerskiktet och spetsen.
TEM-bilden för denna MoS2 nanoribbon avslöjade att dess kant hade en fåtöljstruktur. "Bredden och längden på nanobandet mättes också från bilden, och motsvarande ekvivalenta fjäderkonstant bestämdes från frekvensförskjutningen av LER för att erhålla Youngs modul för detta nanoband", säger lektor Chunmeng Liu.
Forskarna fann att Young'-modulen för enkelskikts MoS2 nanoband med fåtöljkanter var beroende av deras bredd. Medan den förblev konstant runt 166 GPa för bredare band, visade den ett omvänt förhållande till bredden för band under 3 nm i bredd, och ökade från 179 GPa till 215 GPa när nanobandets bredd minskade från 2,4 nm till 1,1 nm. Forskarna tillskrev detta till en högre bindningsstyvhet för kanterna jämfört med interiören.
Densitetsfunktionella teoriberäkningar utförda av forskarna för att förklara deras observation avslöjade att Mo-atomerna böjde sig vid fåtöljens kant, vilket resulterade i elektronöverföring till S-atomerna på båda sidor. Detta i sin tur ökade den coulombiska attraktionen mellan de två atomerna, vilket förbättrade kantstyrkan.
Denna studie kastar viktig ljus över de mekaniska egenskaperna hos MoS2 nanoband, vilket skulle kunna underlätta utformningen av ultratunna mekaniska resonatorer i nanoskala.
"Nanosensorer baserade på sådana resonatorer kan integreras i smartphones och klockor, vilket gör det möjligt för människor att övervaka sin miljö samt kommunicera smak- och luktsinnet i form av numeriska värden", avslutar föreläsaren Jiaqi Zhang.
Mer information: Chunmeng Liu et al, Stiffer Bonding of Armchair Edge in Single-Layer Molybdenum Disulfide Nanoribbons, Advanced Science (2023). DOI:10.1002/advs.202303477
Journalinformation: Avancerad vetenskap
Tillhandahålls av Japan Advanced Institute of Science and Technology
