Det er nemt at producere store, rene 2D-materialer: bare KISS

01. juni 2023 (Nanowerk nyheder) Lige siden opdagelsen af ​​den todimensionelle form for grafit (kaldet graphene) for næsten tyve år siden interesse for 2D-materialer with their special physical properties has skyrocketed. Famously, graphene was produced by exfoliating bulk graphite using sticky tape. Although it was good enough for a Nobel Prize, this method has its drawbacks. An international team of surface scientists has now developed a simple method to produce large and very clean 2D samples from a range of materials using three different substrates.
Their method, kinetic in situ enkeltlagssyntese (KISS) blev beskrevet i tidsskriftet Avanceret videnskab (“In situ exfoliation method of large-area 2D materials”). Kunstnerisk skildring af KISS eksfoliering og fotoemissionseksperiment. 2D-materiale er adskilt fra moderkrystallen på grund af stærkere interaktion med substratet. UV-lys bruges til at foto-emittere elektroner, hvilket muliggør studier af den elektroniske struktur ved direkte billeddannelse af de elektroniske bånd, som ses i baggrunden. (Billede: Antonija Grubišić-Čabo og Dina Maniar, Groningen Universitet)
2D-materialer har fysiske egenskaber, der ikke deles af bulkmateriale. Indespærringen af ​​ladningsbærere er en af ​​grundene til dette. Der er to måder at fremstille disse 2D-materialer på: eksfoliering af en større krystal eller vækst af et 2D-lag. Eksfoliering betyder, at du skræller lag af fra en større krystal, indtil du kun har ét lag tilbage.
"Denne proces er tidskrævende og kræver specifikke færdigheder og udstyr," siger Antonija Grubišić-Čabo, overfladeforsker ved University of Groningen (Holland) og førsteforfatter af Avanceret videnskab papir. 'Desuden resulterer det ofte i meget små flager, mens den klæbende tape, der bruges, kan efterlade polymerer på deres overflader.'
At dyrke 2D-film er en anden tilgang. Dette tillader produktion af store prøver under kontrollerede forhold. »Men det tager ofte meget tid at finde ud af, hvordan man dyrker sådanne 2D-materialer. Og processen resulterer ikke altid i et perfekt lag,' siger Grubišić-Čabo. Sammen med sidste forfatter Maciej Dendzik samlede hun et 'drømmehold' af kolleger, hvoraf mange tidligere havde arbejdet sammen på Aarhus Universitet (Danmark) som ph.d.-studerende, for at udvikle en simpel teknik til fremstilling af 2D-materialer.
'Vi kendte til nogle eksperimenter, hvor guldfilm blev brugt til at eksfoliere bulkmateriale. Men disse blev hovedsageligt udført i luft, hvilket betyder, at denne teknik ikke er særlig velegnet til luftfølsomme materialer eller til overfladevidenskabelig forskning.' Holdet ønskede en teknik, der ville tillade produktion af luftfølsomme 2D-materialer på en række substrater. I deres første forsøg brugte de en guldkrystal i et højvakuumkammer. 'Vi slog dybest set krystallen på bulkmateriale og opdagede, at et flot 2D-lag klæbede til guldet.' Hvorfor dette sker er endnu ikke klart, men holdet har mistanke om, at båndet til guldet er stærkere end Van der Waals-kraften, der holder lagene i bulkkrystallen sammen. Dette billede viser opsætningen for kinetisk in situ enkeltlagssyntese (KISS). Massematerialet placeres på en prøveholder med en fjeder for at regulere stødet (gul pil). Den presses derefter mod guldkrystallen (den lidt lysere ring under den blå pil). Efter frigivelse vil et 2D-lag blive fastgjort til guldsubstratet. (Billede: Antonija Grubišić-Čabo, Groningen Universitet)
De har bygget videre på dette første eksperiment, og tilføjet en fjeder til scenen med bulkmaterialet, som fungerer som støddæmper og dermed giver bedre kontrol over guldkrystallens stød. Desuden viste holdet, at både sølv og halvledergermanium kunne bruges som et substrat til at skrælle 2D-materialer af.
'Guldkrystaller er en standardfunktion i overfladevidenskabelige laboratorier, hvor de f.eks. bruges til kalibrering af instrumenter. Forskere kan ikke lide at beskadige disse krystaller, men det skete ikke i disse eksperimenter, siger Grubišić-Čabo. "Og vi har siden ændret protokollen til at bruge tynde film af enkelt krystal guld. Dette har den ekstra fordel, at det er i stand til at opløse guldet, så vi kan isolere 2D-prøven, så længe den er stabil i luft eller væske.'
Disse isolerede prøver kan bruges til næste trin: bygge enheder fra 2D-materialerne, der vil blive produceret ved hjælp af KISS-teknikken. "Dette er ikke muligt endnu, men vi arbejder på det," siger Grubišić-Čabo. Så det, vi har, er en teknik til at producere meget rene, store 2D-prøver på en meget enkel måde, som giver os mulighed for at skabe luftfølsomme 2D-materialer. Desuden bruger vores teknik standardudstyr, der findes i stort set alle overfladevidenskabelige laboratorier.'

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Udmøntning af fremtiden med Adryenn Ashley. Adgang her.
• Køb og sælg aktier i PRE-IPO-virksomheder med PREIPO®. Adgang her.
• Kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63092.php