Борис Якобсон, профессор материаловедения, наноинженерии и химии Райс, был экспертом, когда группа лабораторий в Сингапуре, Китае, Японии и Тайване использовала соль для создания «библиотеки» двухмерных материалов, сочетающих переход металлы и халькогены.По словам исследователей, эти соединения могут привести к созданию более компактных и быстрых транзисторов, фотоэлектрических элементов, датчиков и катализаторов.С помощью моделирования молекулярной динамики и точных расчетов энергии Якобсон и его коллеги определили, что соль снижает температуру, при которой некоторые элементы взаимодействуют в печи химического осаждения из паровой фазы (CVD).
Это упрощает формирование слоев толщиной в атом, подобных графену, но с возможностью настройки их химического состава для конкретного материала слоя и, соответственно, электрических, оптических, каталитических и других полезных свойств.Исследовательская группа, в которую вошли Якобсон и научный сотрудник Райс Юй Се и аспирант Цзиньчэн Лэй, опубликовали на этой неделе свои результаты в журнале Nature.
Команда под руководством Чжэн Лю из Технологического университета Наньян в Сингапуре использовала свой опытный метод CVD для создания 47 соединений халькогенидов металлов (которые содержат халькоген и электроположительный металл). Большинство новых соединений состояло из двух ингредиентов, но некоторые представляли собой сплавы из трех, четырех и даже пяти. По словам Якобсона, многие материалы были выдуманными и даже желанными, но так и не были изготовлены.
В процессе химического осаждения из паровой фазы атомы, возбуждаемые температурой — в данном случае от 600 до 850 градусов по Цельсию (от 1112 до 1562 градусов по Фаренгейту) — образуют газ и в конечном итоге оседают на подложке, связываясь с атомами комплементарной химии, образуя монослойные кристаллы.Исследователи уже подозревали, что соль может облегчить этот процесс, сказал Якобсон.
Лю пришел к нему с просьбой провести анализ молекулярной модели, чтобы узнать, почему соль облегчает плавление металлов с халькогенами и их реакцию. Это поможет им узнать, может ли это работать в более широкой палитре периодической таблицы.«Они проделали впечатляюще обширную работу, чтобы создать множество новых материалов и всесторонне охарактеризовать каждый из них», — сказал Якобсон. «С нашей теоретической точки зрения новинка в этом исследовании состоит в том, что теперь мы лучше понимаем, почему добавление простой соли снижает температуру плавления этих оксидов металлов и, в частности, снижает энергетические барьеры промежуточных продуктов на пути их превращения в халькогениды. . "По словам Якобсона, было обнаружено, что соль в форме обычной поваренной соли (хлорида натрия) или более экзотических соединений, таких как йодид калия, допускает химические реакции, снижая энергетический барьер, который в противном случае препятствует взаимодействию молекул при температурах ниже сверхвысоких.«Я называю это« солевым штурмом », — сказал он. «Это важно для синтеза.
Во-первых, когда вы пытаетесь объединить твердые частицы, какими бы маленькими они ни были, они все еще имеют ограниченный контакт друг с другом. Но если вы расплавите их с помощью соли, вы получите много контакта с ними. молекулярный уровень.«Во-вторых, соль снижает точку сублимации, когда твердое вещество претерпевает фазовое превращение в газ. Это означает, что больше молекул компонентов материала переходит в газовую фазу.
Это хорошо для общих проблем с переносом и контактом и помогает реакции в целом».Команда Райса обнаружила, что этот процесс не способствует непосредственному образованию самого двухмерного материала, а позволяет образовывать промежуточные оксихлориды. Эти оксихлориды затем приводят к 2-мерному росту халькогенидов.
По словам Якобсона, для детализации этого процесса потребовалось интенсивное моделирование атом за атомом. На это потребовались недели интенсивных вычислений квантовых взаимодействий между всего лишь примерно 100 атомами — все, чтобы показать реакцию всего за 10 пикосекунд. «Мы сделали только четыре соединения, потому что они были очень дорогостоящими с точки зрения вычислений, и возникающая картина была достаточно ясной», — сказал Якобсон.Соавторами статьи являются Цзядун Чжоу, Фуцай Лю, Цюндун Фу, Циншенг Цзэн, Хун Ван, Ю Чен, Хуан Ся, Тинг Ю и Цзэсианг Шен из Технологического университета Наньян, Сингапур; Джунхао Линь и Кадзу Суэнага из Национального института передовых промышленных наук и технологий, Цукуба, Япония; Сянвэй Хуанг, Гуантун Лю, Яо Чжоу и Цянь Лю из Китайской академии наук, Пекин; Хуэймэй Ю из Восточно-Китайского университета науки и технологий, Шанхай; Ди Ву и Чуанг-Хан Сю из Национального университета Сингапура; Чанли Ян и Ли Лу из Китайской академии наук и Центра совместных инноваций квантовой материи, Пекин; и Синь Линь из Национального университета Сингапура и Института физики Академии Синика, Тайбэй, Тайвань.
Министерство энергетики США, Сингапурский национальный исследовательский фонд, JST-ACCEL, JSPS KAKENHI, Национальная программа ключевых исследований и разработок Китая, Национальный фонд естественных наук Китая, Министерство науки и технологий Китая и Китайская академия наук поддержал исследование.