Regarder les matériaux en deux dimensions croître

Anonim

Ils font partie des structures les plus minces de la planète: les "matériaux bidimensionnels" sont des cristaux composés d'une ou de plusieurs couches d'atomes. Ils présentent souvent des propriétés inhabituelles, promettant de nombreuses nouvelles applications dans l'optoélectronique et la technologie énergétique. Un de ces matériaux est le sulfure de 2-D-molybdène, une couche atomiquement mince d'atomes de molybdène et de soufre.

La production de tels cristaux ultra-minces est difficile. Le processus de cristallisation dépend de nombreux facteurs. Dans le passé, différentes techniques ont donné des résultats assez divers, mais les raisons ne pouvaient pas être expliquées avec précision. Grâce à une nouvelle méthode développée par des équipes de recherche de la TU Wien, de l’Université de Vienne et de Joanneum Research en Styrie, il est désormais possible d’observer pour la première fois le processus de cristallisation directement au microscope électronique. La méthode a maintenant été présentée dans la revue scientifique ACS Nano.

Du gaz au cristal

«Le sulfure de molybdène peut être utilisé dans des cellules solaires transparentes et flexibles ou pour générer de l’hydrogène de manière durable pour le stockage de l’énergie», explique l’auteur principal de l’étude, Bernhard C. Bayer de l’Institute of Materials Chemistry de Wien. "Pour ce faire, cependant, les cristaux de haute qualité doivent être cultivés dans des conditions contrôlées."

Cela se fait généralement en commençant par des atomes sous forme gazeuse, puis en les condensant sur une surface de manière aléatoire et non structurée. Dans un deuxième temps, les atomes sont disposés sous forme cristalline régulière, par exemple par chauffage. "Les diverses réactions chimiques au cours du processus de cristallisation ne sont cependant toujours pas claires, ce qui rend très difficile le développement de meilleures méthodes de production pour ce type de matériaux", déclare Bayer.

Grâce à une nouvelle méthode, il devrait maintenant être possible d’étudier avec précision les détails du processus de cristallisation. "Cela signifie qu'il n'est plus nécessaire d'expérimenter par essais et erreurs, mais grâce à une meilleure compréhension des processus, nous pouvons dire avec certitude comment obtenir le produit souhaité", ajoute M. Bayer.

Le graphène comme substrat

Tout d'abord, le molybdène et le soufre sont placés au hasard sur une membrane de graphène. Le graphène est probablement le plus connu des matériaux à deux dimensions - un cristal d'une épaisseur de seulement une couche d'atomes constitué d'atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d'abeille. Les atomes de molybdène et de soufre disposés au hasard sont ensuite manipulés au microscope électronique avec un faisceau d'électrons fin. Le même faisceau d'électrons peut être utilisé simultanément pour imager le processus et initier le processus de cristallisation.

De cette façon, il est maintenant possible pour la première fois d'observer directement la façon dont les atomes se déplacent et se réarrangent pendant la croissance du matériau avec une épaisseur de seulement deux couches atomiques. "Ce faisant, nous pouvons voir que la configuration la plus stable du point de vue thermodynamique ne doit pas nécessairement être l’état final", déclare M. Bayer. Différents arrangements en cristal se font concurrence, se transforment et se remplacent. "Par conséquent, il est maintenant clair que les enquêtes antérieures ont eu des résultats si variables. Nous avons affaire à un processus complexe et dynamique." Les nouveaux résultats aideront à adapter plus précisément la structure des matériaux à deux dimensions aux exigences des applications en interférant de manière ciblée avec les processus de réarrangement.

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