Naujas 2.5D medžiagų amžius


Naujas 2.5D medžiagų amžius

Sudėjus skirtingų 2D medžiagų sluoksnius, dabar galima sukurti unikalių fizinių savybių turinčias 2,5D medžiagas, kurios gali būti naudojamos saulės elementuose, kvantiniuose įrenginiuose ir įrenginiuose, kuriuose suvartojama labai mažai energijos. Kreditas: STAM

Mokslininkai tiria naujus būdus, kaip dirbtinai sukrauti dvimates (2D) medžiagas, pristatydami vadinamąsias 2,5D medžiagas, pasižyminčias unikaliomis fizinėmis savybėmis. Japonijos mokslininkai žurnale apžvelgė naujausius 2,5D medžiagų pasiekimus ir pritaikymą Pažangių medžiagų mokslas ir technologija.

„2.5D koncepcija simbolizuoja laisvę nuo kompozicijos, medžiagų, kampų ir erdvės, paprastai naudojamos 2D. medžiagų tyrimai“, – aiškina nanomedžiagų mokslininkas ir pagrindinis autorius Hiroki Ago iš Kyushu universiteto Japonijoje.

2D medžiagos, tokios kaip grafenas, susideda iš vieno atomų sluoksnio ir yra naudojamos tokiose srityse kaip lankstūs jutikliniai skydeliai, integruotos grandinės ir jutikliai.

Neseniai buvo pristatyti nauji metodai, leidžiantys dirbtinai sukrauti 2D medžiagas vertikaliai, plokštumoje arba susuktais kampais, nepaisant jų sudėties ir struktūrų. Taip yra dėl gebėjimo valdyti van der Waals jėgas: silpna elektrinė sąveika tarp atomų ir molekulių, panaši į mikropluošto audinio pritraukimą dulkes. Taip pat dabar galima integruoti 2D medžiagas su kitų matmenų medžiagomis, tokiomis kaip jonai, nanovamzdeliai ir tūriniai kristalai.

Įprastas 2,5D medžiagų gamybos būdas yra cheminis nusodinimas garais (CVD), kuris vienu metu nusodina sluoksnį, vieną atomą arba molekulę, ant kieto paviršiaus. Dažniausiai naudojami 2,5D medžiagų statybiniai blokai yra grafenas, šešiakampis boro nitridas (hBN) (kosmetikoje ir aeronautikoje naudojamas junginys) ir pereinamųjų metalų dikalkogenidai (TMDC) (nano lakštinis puslaidininkis).

Naudodami CVD metodą, mokslininkai selektyviai susintetino dvigubą grafeno sluoksnį, paprasčiausią 2,5D medžiagos formą, kaip katalizatorių naudodami vario-nikelio foliją su santykinai didele nikelio koncentracija. Nikelis daro anglį labai tirpią, todėl mokslininkai gali geriau kontroliuoti grafeno sluoksnių skaičių. Kai an elektrinis laukas buvo uždėtas vertikaliai per dvigubą grafeno sluoksnį, jis atidarė juostos tarpą, o tai reiškia, kad jo laidumą galima įjungti ir išjungti. Tai reiškinys, kurio nepastebima vienasluoksniame grafene, nes jis neturi juostos tarpo ir išlieka visą laiką. Vienu laipsniu pakreipę krovimo kampą, mokslininkai nustatė, kad medžiaga tapo superlaidžia.

Panašiai kita grupė JK ir JAV nustatė, kad grafeno ir hBN sluoksnis sukelia kvantinį Holo efektą, laidumo reiškinį, apimantį magnetinis laukas kuris sukuria potencialų skirtumą. Kiti parodė, kad sudėję TMDC sulaiko eksitonus (elektronus, suporuotus su susijusiomis skylėmis susietoje būsenoje) persidengiančiuose gardelės modeliuose. Tai gali sukelti programų informacijos saugojimo įrenginiuose. Nauji robotų surinkimo būdai taip pat leido sukurti sudėtingesnes vertikalias struktūras, įskaitant, pavyzdžiui, sukrautą heterostruktūrą, susidedančią iš 29 kintamų grafeno ir hBN sluoksnių.

Kituose tyrimuose buvo naudojamos nanoerdvės, susidarančios tarp 2,5D medžiagos sluoksnių, kad būtų įterptos molekulės ir jonai, siekiant pagerinti pagrindinės medžiagos elektrines, magnetines ir optines savybes.

Pavyzdžiui, iki šiol mokslininkai nustatė, kad grafenas stabilizuoja geležies chloridą, kai jis įterpiamas tarp sukrautų sluoksnių, o įterpus ličio jonus, difuzijos greitis yra greitesnis (kaip greitai molekulės pasklinda tam tikroje srityje) nei grafitas, elektros laidininkas. naudojamas akumuliatoriuose. Tai reiškia, kad medžiaga gali būti naudojama didelio našumo įkraunamose baterijose.

Be to, mokslininkai nustatė, kad įterpiant aliuminio chlorido molekules tarp dviejų grafenas lakštų veda prie naujų kristalinių struktūrų, kurios visiškai skiriasi nuo birių aliuminio chlorido kristalų, susidarymo. Reikia daugiau tyrimų, kad suprastume, kodėl taip nutinka ir kokios tai gali būti taikomos.

„Yra daug galimybių tyrinėti šią naują 2,5D koncepciją“, – sako Ago.

Būsimas 2,5D medžiagų pritaikymas apima saulės elementus, baterijas, lanksčius įrenginius, kvantinius įrenginius ir labai mažai energijos suvartojančius įrenginius.

Kiti žingsniai turėtų būti įtraukti mašininis mokymasisgilus mokymasis ir medžiagų informatika, siekiant toliau tobulinti 2.5D medžiagų kūrimą ir sintezę.


Naujienų istorija: naujas tyrimas atskleidžia netikėtą dvisluoksnio grafeno minkštumą


Daugiau informacijos:
Hiroki Ago ir kt., Mokslas apie 2,5 matmenų medžiagas: medžiagų mokslo paradigmos poslinkis ateities socialinių inovacijų link, Pažangių medžiagų mokslas ir technologija (2022). DOI: 10.1080/14686996.2022.2062576

Teikia Kyushu universitetas

Citata: naujas 2,5D medžiagų amžius (2022 m. gegužės 6 d.), gautas 2022 m. gegužės 6 d. iš https://phys.org/news/2022-05-age-25d-materials.html

Šis dokumentas yra saugomas autorių teisių. Išskyrus bet kokius sąžiningus sandorius privačių studijų ar mokslinių tyrimų tikslais, jokia dalis negali būti atkuriama be raštiško leidimo. Turinys pateikiamas tik informaciniais tikslais.