Vooruit springen in een rij is onbeleefd, maar soms is het acceptabel. Vooral voor zout. Het Rice University-lab van materiaaltheoreticus Boris Yakobson laat zien waarom in de follow-up van een onderzoek uit 2018 dat aantoonde hoe zout de vorming van waardevol 2D-molybdeendisulfide (MoS2) vereenvoudigt met een eerste-principeanalyse van het proces dat het nog verder zou kunnen verfijnen .
De theoretische studie door Yakobson en collega’s Jincheng Lei, Yu Xie en Alex Kutana, alle alumni van zijn laboratorium, en onderzoeker Ksenia Bets laat door de simulatie van energieën op atoomniveau zien waarom zout – met name gejodeerd zout – de reactietemperatuur in een chemische dampafzetting (CVD) oven nodig om MoS2 te vormen.
Het doet dit door te helpen bij het overslaan van enkele stappen en het overbruggen van hoge energiebarrières in conventionele CVD-groei om veel meer MoS6 op te leveren, een essentiële voorloper van 2D MoS2.
Hun studie in de Journal of the American Chemical Society richtte zich op hoe zout de activeringsbarrières verlaagt om de zwavelvorming van molybdeenoxyhalogeniden, de gasgrondstof bij MoS2-kristallisatie, te verbeteren.
MoS2 is een natuurlijke verbinding die in bulkvorm bekend staat als molybdeniet en in 2D-vorm zeer begeerd is vanwege zijn halfgeleidende eigenschappen, die vooruitgang beloven in elektronische, opto-elektronische, spintronische, katalytische en medische toepassingen. Maar 2D MoS2 blijft moeilijk in commerciële hoeveelheden te produceren.
Het Rice-team kwam voor het eerst in de strijd toen laboratoria in Singapore, China, Japan en Taiwan zout gebruikten om een ”bibliotheek” te maken van 2D-materialen die overgangsmetalen en chalcogenen combineerden. Waarom het zo goed werkte, was een raadsel, wat hen ertoe bracht om vanaf het begin een beroep te doen op de expertise van het Yakobson-lab in het modelleren van materialen – zelfs alleen theoretische.
advertentie
Hun uitgebreide modellen laten zien dat, hoewel de internationale laboratoria chloridezouten gebruikten om hun bibliotheek met materialen te maken, de jodidezouten die gewoonlijk op keukentafels worden aangetroffen, de synthese van MoS2 beter kunnen versnellen.
“Snelle en grootschalige synthese is noodzakelijk voor de wijdverbreide toepassing van MoS2”, zei Lei. “We hebben het hele groeiproces zorgvuldig bestudeerd, in de hoop het zo veel mogelijk te optimaliseren. Het bleek dat door simpelweg chloride te veranderen in jodide, je MoS2 veel sneller kon synthetiseren bij nog lagere groeitemperaturen.”
Dit gebeurt wanneer zout en de voorloper een eutectisch middel vormen, een mengsel van stoffen die smelten en stollen bij een enkele temperatuur die lager is dan het smeltpunt van de bestanddelen.
“Nadat door zout geassisteerde synthese de groei van veel meer TMD-verbindingen (transition metal dichalcogenide) mogelijk werd gemaakt dan voorheen mogelijk was en de groeiomstandigheden voor eerder gesynthetiseerde verbindingen aanzienlijk verbeterden, werd het duidelijk dat dit proces iets speciaals heeft”, zegt Bets. zei.
“Sommige experimentele groepen probeerden verder te onderzoeken, maar het monitoren van de moleculaire samenstelling van de gasfase onder groeiomstandigheden is geen eenvoudige taak”, zei ze. “Zelfs dan kun je niet het hele plaatje zien.
advertentie
“We waren zeer grondig en volgden Jincheng’s werk op het mechanisme van conventionele MoS2-groei op. We simuleerden alle onderdelen van het proces, van zwaveling tot de 2D-kristalgroei. Deze alomvattende aanpak wierp zijn vruchten af.”
In simulaties observeerde het Rice-team direct het volledige zwavelingsproces, aangezien zuurstof- en chlooratomen geleidelijk werden vervangen door zwavel in MoO2Cl2, een veel voorkomende voorloper, onder CVD-omstandigheden.
Het laboratorium zei dat het eutectische effect een veelvoorkomend fenomeen kan zijn in de CVD-synthese van 2D-dichalcogenide-monolagen, en daarom de moeite waard is om verder te bestuderen.
Lei is nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Yale University. Xie is nu een professor aan de Universiteit van Xi’an, China. Kutana is een assistent-professor aan de Nagoya University, Japan. Yakobson is de Karl F. Hasselmann-hoogleraar Engineering en een professor in materiaalkunde en nano-engineering en in de chemie.
Het Department of Energy, Basic Energy Sciences (DE-SC0012547) en de Welch Foundation (C-1590) ondersteunden het onderzoek.
Verhaalbron:
Materialen geleverd door Rijst Universiteit. Origineel geschreven door Mike Williams. Opmerking: inhoud kan worden bewerkt voor stijl en lengte.
lees het gehele artikel bij de bron
Samenvatting: Theoretici laten zien waarom zout een aanzienlijke snelheidsboost geeft aan waardevol 2D-molybdeendisulfide, een effect dat volgens hen ook voor andere 2D-materialen zou kunnen werken.
Datum van publicatie: 19 april 2022
Bron: Technologie | Top technologienieuws — ScienceDaily