Метод позволяет рассматривать двумерные материалы по мере их роста

«Двумерные материалы» являются одними из самых тонких структур на Земле. Эти кристаллы содержат только один или несколько слоев атомов. Они часто демонстрируют редкие свойства, обещая ряд новых применений в энергетических технологиях и оптоэлектронике. Одним из таких материалов является сульфид двуокиси молибдена, который является атомарно тонким слоем атомов молибдена и серы.

Сначала атомы распределены случайным образом после манипулирования электронным пучком, они образуют кристаллические структуры (справа ). (Image credit: TU Wien)

Производство таких ультратонких кристаллов непросто. Процесс кристаллизации опирается на ряд различных факторов. В прошлом различные методы дали весьма разнообразные результаты, но причины этого не могли быть точно объяснены. Благодаря новой методике, разработанной исследовательскими группами в TU Wien, Венском университете и Joanneum Research в Штирии, впервые впервые в мире можно увидеть процесс кристаллизации непосредственно с помощью электронного микроскопа. В настоящее время этот метод представлен в научном журнале «ACS nano».

От газа к кристаллу

Сульфид молибдена может использоваться в прозрачных и гибких солнечных элементах или для устойчивого получения водорода для хранения энергии. Для этого, однако, высококачественные кристаллы должны выращиваться в контролируемых условиях.

Бернхард С. Байер, ведущий автор и институт химии материалов в ТУ Вена

Обычно это делается, начиная с атомов в газообразной форме и затем конденсируя их на поверхности случайным и неструктурированным способом. На второй стадии атомы расположены в стандартной кристаллической форме – например, путем нагревания. « Однако разнообразные химические реакции в процессе кристаллизации все еще неясны, что затрудняет разработку лучших методов получения 2D-материалов такого рода», Bayer.

Однако из-за новой техники, в настоящее время, возможно, можно точно исследовать детали процесса кристаллизации. « Это означает, что больше не нужно экспериментировать путем проб и ошибок, но, благодаря более глубокому пониманию процессов, мы можем точно сказать, как получить желаемый продукт» добавляет Байер

Графен в качестве субстрата

Во-первых, сера и молибден помещаются случайным образом на мембрану из графена. Графен, пожалуй, самый известный из 2D-материалов – кристалл толщиной всего один атомный слой, содержащий атомы углерода, расположенные в сотовой решетке. Затем беспорядочно расположенные атомы молибдена и серы манипулируют в электронном микроскопе с использованием тонкого электронного пучка. Один и тот же электронный пучок можно использовать одновременно для изображения процесса и начала процесса кристаллизации.

Таким образом, впервые стало возможным впервые наблюдать, как атомы перемещаются и перестраиваются во время роста материала с толщиной всего двух атомных слоев. «При этом мы можем видеть, что самая термодинамически стабильная конфигурация необязательно всегда должна быть конечным состоянием», Байер говорит. Различные кристаллоконструкции конкурируют друг с другом, меняются друг на друга и заменяют друг друга. «Поэтому теперь ясно, почему более ранние исследования имели такие разные результаты. Мы имеем дело со сложным динамическим процессом ». Последние результаты помогут более точно адаптировать структуру 2D-материалов к потребностям приложений в будущем, целенаправленно мешая процессам перегруппировки.

Описанное исследование было профинансировано ФФГ, FWF и Европейской комиссией.

Source link