Автор AZoNano 15 июня 2021 года

Научные исследования, описывающие самые основные процессы, часто имеют наибольшее влияние в долгосрочной перспективе. Новая работа инженеров Университета Райса может быть одной из таких, и это газ, газ, газ для наноматериалов.

Теоретик рисовых материалов Борис Якобсон, аспирант Цзиньчэн Лэй и выпускник школы Брауна Райса Юй Се раскрыли, как популярный двумерный материал, дисульфид молибдена (MoS ₂ ), вспыхивает во время химического пара осаждение (CVD).

Знание того, как работает этот процесс, даст ученым и инженерам возможность оптимизировать массовое производство MoS ₂ и других ценных материалов, классифицируемых как дихалькогениды переходных металлов (TMD), полупроводниковых кристаллов, которые можно найти дом электроники нового поколения.

Их исследование, опубликованное в журнале Американского химического общества ACS Nano сосредоточено на «предыстории» MoS ₂ а именно на том, что происходит в печи CVD, когда все твердые ингредиенты на месте. CVD, часто связанный с графеном и углеродными нанотрубками, использовался для создания разнообразных 2D-материалов путем предоставления твердых прекурсоров и катализаторов, которые сублимируются в газ и вступают в реакцию. Химия определяет, какие молекулы выпадают из газа и оседают на подложке, такой как медь или силикон, и собираются в 2D-кристалл.

Проблема заключалась в том, что как только печь запускается, невозможно увидеть или измерить сложную цепочку реакций в химической тушенке в реальном времени.

«Сотни лабораторий готовят эти TMD, совершенно не обращая внимания на сложные превращения, происходящие в темной печи», – сказал Якобсон, профессор материаловедения и наноинжиниринга Карла Ф. Хассельмана и профессор химии . «Здесь мы используем квантово-химическое моделирование и анализ, чтобы выявить, что там, в темноте, что ведет к синтезу».

Теории Якобсона часто побуждают экспериментаторов претворять в жизнь его предсказания. (Например, бакиболлы бора.) На этот раз лаборатория Райса определила путь оксида молибдена (MoO ₃ ) и порошка серы для осаждения атомарно тонкой решетки на поверхность.

Если коротко, то нужно сделать три шага. Во-первых, твердые вещества сублимируются путем нагревания, чтобы превратить их из твердого в газообразное, включая то, что Якобсон назвал «красивой» кольцевой молекулой, нонаоксид тримолибдена (Mo ₃ O ₉ ). Во-вторых, молибденосодержащие газы вступают в реакцию с атомами серы при высоких температурах до 4040 градусов по Фаренгейту. В-третьих, молекулы молибдена и серы падают на поверхность, где кристаллизуются в решетчатую решетку, которая характерна для TMD.

То, что происходит на средней стадии, интересовало исследователей. Моделирование лаборатории показало, что три основных реагента газовой фазы являются главными подозреваемыми в создании MoS ₂ : сера, кольцеобразные молекулы Mo ₃ O ₉ молекул, которые образуются в присутствии серы и последующий гибрид MoS ₆ который образует кристалл, высвобождая при этом избыточные атомы серы.

Лей сказал, что моделирование молекулярной динамики показало активационные барьеры, которые необходимо преодолеть, чтобы продвинуть процесс, обычно за пикосекунды.

«В нашем молекулярно-динамическом моделировании мы обнаруживаем, что это кольцо открывается за счет взаимодействия с серой, которая атакует кислород, связанный с атомами молибдена», – сказал он . «Кольцо становится цепочкой, и дальнейшие взаимодействия с молекулами серы разделяют эту цепь на мономеры сульфида молибдена. Наиболее важной частью является разрыв цепи, который преодолевает самый высокий энергетический барьер».

Это понимание может помочь лабораториям упростить процесс, сказал Лэй. «Если мы сможем найти молекулы-предшественники только с одним атомом молибдена, нам не нужно будет преодолевать высокий барьер разрыва цепи», он сказал.

Якобсон сказал, что исследование может применяться к другим TMD.

«Эти открытия часто приводят к тому, что эмпирическая наноинженерия превращается в основную науку, где процессы могут быть предсказаны и оптимизированы», – сказал он отметив, что, хотя химия была широко известна с момента открытия Фуллерены TMD в начале 90-х, понимание специфики будет способствовать развитию 2D-синтеза.

«Только теперь мы можем« упорядочить »пошаговую химию, », – сказал Якобсон. «Это позволит нам улучшить качество 2D-материалов, а также увидеть, какие побочные газы могут быть полезны и улавливаться в пути, открывая возможности для химической инженерии».

Программа Министерства энергетики по фундаментальным энергетическим наукам поддержала исследование, а вычисления были выполнены в Национальном вычислительном центре энергетических исследований.

Источник: https://www.rice.edu/