Att skapa nya material genom att kombinera lager med unika, fördelaktiga egenskaper verkar vara en ganska intuitiv process – stapla upp materialen och stapla upp fördelarna. Detta är dock inte alltid fallet. Inte alla material kommer att tillåta energi att färdas genom det på samma sätt, vilket gör att fördelarna med ett material kommer på bekostnad av ett annat.
Med hjälp av spjutspetsverktyg har forskare vid Center for Functional Nanomaterials (CFN), en U.S. Department of Energy (DOE) användaranläggning vid Brookhaven National Laboratory och Institute of Experimental Physics vid University of Warszawa skapat en ny skiktad struktur med 2D-material som uppvisar en unik överföring av energi och laddning. Att förstå dess materialegenskaper kan leda till framsteg inom teknologier som solceller och andra optoelektroniska enheter. Resultaten publicerades i tidskriften Nano Letters .
Övergångsmetalldikalkogenider (TMD) är en klass av material strukturerade som smörgåsar med atomärt tunna lager. Köttet från en TMD är en övergångsmetall som kan bilda kemiska bindningar med elektroner på deras yttersta bana eller skal, liksom de flesta grundämnen, såväl som nästa skal. Den metallen är inklämd mellan två lager av kalkogener, en kategori av grundämnen som innehåller syre, svavel och selen.
Kalkogener har alla sex elektroner i sitt yttersta skal, vilket gör deras kemiska beteende liknande. Vart och ett av dessa materialskikt är bara en atom tjockt – en miljondel av tjockleken på ett hårstrå – vilket leder till att de kallas tvådimensionella (2D) material.
"På atomnivå får du se dessa unika och avstämbara elektroniska egenskaper", säger Abdullah Al-Mahboob, en forskare på Brookhaven i CFN Interface Science and Catalysis-gruppen. "TMD är som en lekplats för fysiken. Vi flyttar runt energi från ett material till ett annat på atomnivå."
Vissa nya egenskaper börjar dyka upp från material i denna skala. Grafen, till exempel, är 2D-versionen av grafit, det material som de flesta pennor är gjorda av. I ett Nobelprisvinnande experiment använde forskare en bit tejp för att dra bort flagor från grafit för att studera ett lager av grafen. Forskarna fann att grafenen var otroligt stark på atomnivå - 200 gånger starkare än stål i förhållande till dess vikt. Dessutom är grafen en fantastisk termisk och elektrisk ledare och har ett unikt ljusabsorptionsspektrum. Detta låste upp dörren till att studera 2D-former av andra material och deras egenskaper.
2D-material är intressanta i sig, men när de kombineras börjar överraskande saker hända. Varje material har sin egen superkraft – skyddar material från miljön, kontrollerar överföringen av energi, absorberar ljus i olika frekvenser – och när forskare börjar stapla ihop dem skapar de vad som kallas en heterostruktur. Dessa heterostrukturer är kapabla till några extraordinära saker och kan en dag integreras i framtida teknologier, som mindre elektroniska komponenter och mer avancerade ljusdetektorer.
Även om utforskningen av dessa material kan ha börjat med något så enkelt som en bit tejp, har verktygen som används för att extrahera, isolera, katalogisera och bygga 2D-material blivit ganska avancerade. På CFN har ett helt system ägnat sig åt att studera dessa heterostrukturer och de tekniker som används för att skapa dem – Quantum Material Press (QPress).
"Det är svårt att jämföra QPress med någonting", säger Suji Park, en forskare från Brookhaven som specialiserat sig på elektroniskt material. "Den bygger en struktur lager för lager, som en 3D-skrivare, men 2D-heterostrukturer byggs med ett helt annat tillvägagångssätt. QPress skapar materiallager som är en atom eller två tjocka, analyserar dem, katalogiserar dem och sätter till slut ihop dem. Robotik används för att systematiskt tillverka dessa ultratunna lager för att skapa nya heterostrukturer."
QPress har tre specialbyggda moduler – exfoliator, katalogiserare och staplare. För att skapa 2D-lager använder forskare exfoliatorn. I likhet med den manuella tejptekniken har exfoliatorn en mekaniserad rullenhet som exfolierar tunna lager från större källkristaller med kontroller som ger den typ av precision som inte kan uppnås för hand.
När de har samlats in och distribuerats pressas källkristallerna på en silikonoxidskiva och skalas av. De skickas sedan vidare till katalogiseraren, ett automatiserat mikroskop som kombinerar flera optiska karakteriseringstekniker. Katalogiseraren använder maskininlärning (ML) för att identifiera flingor av intresse som sedan katalogiseras till en databas. För närvarande tränas ML med endast grafendata, men forskare kommer att fortsätta lägga till olika typer av 2D-material. Forskare kan använda denna databas för att hitta materialflingorna de behöver för sin forskning.
När det nödvändiga materialet finns tillgängligt kan forskare använda staplaren för att tillverka heterostrukturer från dem. Med hjälp av högprecisionsrobotik tar de provflingorna och ordnar dem i den ordning som behövs, i vilken vinkel som helst, och överför substrat för att skapa den slutliga heterostrukturen, som kan lagras långsiktigt i ett provbibliotek för senare användning.
Klimatet kontrolleras för att säkerställa kvaliteten på proverna och tillverkningsprocessen från exfoliering till att bygga heterostrukturer genomförs i en inert gasmiljö i ett handskfack. De exfolierade flingorna och de staplade proverna förvaras i vakuum i provbiblioteken i QPress-klustret.
Dessutom finns verktyg för elektronstråleavdunstning, glödgning och syreplasma tillgängliga på vakuumsidan av klustret. Robotik används för att skicka prover från ett område av QPress till nästa. Men när dessa nya heterostrukturer väl har tillverkats, vad gör de egentligen och hur gör de det?
Efter att teamet på CFN tillverkat dessa fascinerande nya material med QPress, integrerade de materialen med en svit av avancerade mikroskopi- och spektroskopiverktyg som gjorde det möjligt för dem att utforska optoelektroniska egenskaper utan att exponera proverna för luft, vilket skulle försämra materialstrukturer. Några av de känsliga, exotiska kvantegenskaperna på 2D-material behöver ultralåga kryotemperaturer för att upptäckas, ner till bara några kelviner. Annars blir de störda av den minsta mängd värme eller kemikalier som finns i luften.
Denna plattform kommer att innehålla avancerade mikroskop, röntgenspektrometrar och ultrasnabba lasrar som kan undersöka kvantvärlden vid kryotemperaturer.
Med hjälp av de avancerade funktionerna hos dessa resurser kunde teamet få en mer detaljerad bild av hur långdistansenergiöverföring fungerar i TMD:er.
Energi vill röra sig över material, som en person vill klättra på en stege, men den behöver en plats att hålla fast vid. Bandgaps kan ses som utrymmet mellan stegpinnarna på en stege. Ju större gapet är, desto svårare och långsammare är det att klättra. Om gapet är för stort kanske det inte ens går att slutföra flytta uppåt. Genom att använda material som redan har bra ledningsegenskaper kunde detta specialiserade team av forskare stapla dem på ett sätt som utnyttjade deras struktur för att skapa vägar som överför laddningen mer effektivt.
En av de TMD som teamet skapade var molybdendisulfid (MoS2 ), som i tidigare studier har visat sig ha stark fotoluminescens. Fotoluminescens är det fenomen som gör att vissa material lyser i mörker efter att de exponerats för ljus. När ett material absorberar ljus med mer energi än energibandgapet, kan det avge ljus med fotonenergi lika med bandgapenergin.
Om ett andra material med lika eller lägre energibandgap kommer närmare det första, så nära som en subnanometer till några få nanometer, kan energi överföras icke-strålningsfritt från det första materialet till det andra. Det andra materialet kan då avge ljus med fotonenergi lika med dess energibandgap.
Med ett isolerande mellanskikt tillverkat av hexagonal bornitrid (hBN), som förhindrar elektronisk ledningsförmåga, observerade forskare en ovanlig typ av långdistansenergiöverföring mellan denna TMD och en gjord av volframdiselenid (WSe2 ), som leder el mycket effektivt. Energiöverföringsprocessen inträffade från material med lägre till högre bandgap, vilket inte är typiskt i TMD-heterostrukturer, där överföringen vanligtvis sker från 2D-material med högre till lägre bandgap.
Tjockleken på mellanskiktet spelade en stor roll, men verkade också trotsa förväntningarna. "Vi blev förvånade över beteendet hos det här materialet", säger Al-Mahboob. "Interaktionen mellan de två lagren ökar tillsammans med avståndsökningen upp till en viss grad, och sedan börjar den minska. Variabler som avstånd, temperatur och vinkel spelade en viktig roll."
Genom att få en bättre förståelse för hur dessa material absorberar och avger energi i denna skala, kan forskare tillämpa dessa egenskaper på nya typer av teknologier och förbättra nuvarande. Dessa kan inkludera solceller som absorberar ljus mer effektivt och håller en bättre laddning, fotosensorer med högre noggrannhet och elektroniska komponenter som kan skalas ner till ännu mindre storlekar för mer kompakta enheter.
Mer information: Arka Karmakar et al, excitationsberoende högt liggande excitoniskt utbyte via mellanskiktsenergiöverföring från 2D-material med lägre till högre bandgap, nanobokstäver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01127
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av Brookhaven National Laboratory
