Автор AZoNano 12 января 2021 г.

Ученые из Университета Райса расширили свою технику на производство графена в мгновение ока, чтобы адаптировать свойства других 2D-материалов.

Лаборатории химика Джеймса Тура и теоретика материалов Бориса Якобсона сообщили в ACS Nano Американского химического общества, что они успешно «высветили» большие количества двумерных дихалькогенидов, превратив их из полупроводников в металлы.

Такие материалы ценны для электроники, катализа и в качестве смазочных материалов, среди прочего.

В процессе используется мгновенный джоулев нагрев – с использованием электрического заряда для значительного повышения температуры материала – для преобразования полупроводникового дисульфида молибдена и дисульфида вольфрама. Длительность импульса и выбор добавок также могут управлять свойствами изделий, которые теперь стали металлическими.

«Этот быстрый процесс позволяет нам производить совершенно новый класс высокоценных материалов в больших масштабах и без использования растворителей или воды», – сказал Тур.

Двумерные дихалькогениды сверху выглядят как гексагональный графен, но если посмотреть на них под углом, можно увидеть структуру, подобную сэндвичу. В дисульфиде молибдена, например, одна плоскость атомов молибдена расположена между аналогичными, но смещенными плоскостями серы.

По словам исследователей, изготовление каждого материала в его металлической фазе (известной как 1T) ранее требовало гораздо более сложных процессов. Уже тогда было известно, что продукты нестабильны в условиях окружающей среды. Вспышка джоулева нагрева, по-видимому, решает эту проблему, производя метастабильные дихалькогениды за тысячную долю секунды.

Порошкообразные коммерчески доступные дихалькогениды, смешанные с углеродной сажей или вольфрамовым порошком для увеличения их проводимости, помещали в керамическую трубку, покрытую электродами, и подвергали вспышке мощностью более 1350 ампер в течение доли секунды, а затем быстро охлаждали. Когда труба находилась под вакуумом, посторонние газы удалялись, оставляя собирать в основном чистый металл.

Согласно расчетам группы Якобсона, большое количество подводимой энергии заставляет структурные дефекты появляться в кристаллических решетках материалов, добавляя отрицательные заряды, которые делают 1T термодинамически предпочтительной фазой.

«Это интересное перемотанное вперед воплощение принципа Ле Шателье: под напряжением материал переходит в более проводящую фазу 1Т, чтобы противодействовать / уменьшать приложенные электрические поля», – сказал соавтор Ксения Бец, исследователь группы Якобсона. «Наши подробные расчеты показывают, что кинетический путь является косвенным: сублимирующая сера создает решетку, богатую вакансиями, которая энергетически предпочитает структуру 1T».

Тот факт, что условия и добавки могут влиять на конечный продукт, должен привести к систематическому изучению возможных вариаций, сказал Тур.

Аспирант Райс Вэйинь Чен является ведущим автором статьи. Дополнительными соавторами являются аспиранты Райс Чжэ Ван, Эмили МакХью, Вала Алгозиб и Джинханг Чен; постдокторанты Дуй Сюань Луонг и Бинг Дэн; выпускники Мукинг Рен и Майкл Стэнфорд; доцент-исследователь Хуа Го; ученый-исследователь Гуаньхуэй Гао; и студенты Джон Тианчи Ли и Уильям Карстен.

Тур – это T.T. и W.F. Кафедра химии Чао, а также профессор компьютерных наук, материаловедения и наноинженерии. Якобсон – профессор материаловедения и наноинжиниринга имени Карла Ф. Хассельмана и профессор химии.

Управление научных исследований ВВС, Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики (DOE) и Министерство энергетики США по фундаментальным наукам поддержали исследование.

Источник: https://www.rice.edu/