Produrre materiali 2D grandi e puliti diventa facile: basta KISS

01 giugno 2023 (Notizie Nanowerk) Fin dalla scoperta della forma bidimensionale della grafite (denominata grafene) quasi vent'anni fa, interesse per Materiali 2D 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 la sintesi monostrato in situ (KISS) è stata descritta nella rivista Scienza avanzata (“In situ exfoliation method of large-area 2D materials”). Rappresentazione artistica dell'esperimento di esfoliazione e fotoemissione KISS. Il materiale 2D viene separato dal cristallo genitore a causa della più forte interazione con il substrato. La luce UV viene utilizzata per fotoemettere elettroni consentendo studi della struttura elettronica mediante imaging diretto delle bande elettroniche, come visto sullo sfondo. (Foto: Antonija Grubišić-Čabo e Dina Maniar, Università di Groningen)
I materiali 2D hanno proprietà fisiche che non sono condivise dal materiale sfuso. Il confinamento dei portatori di carica è una delle ragioni di ciò. Esistono due modi per produrre questi materiali 2D: esfoliare un cristallo più grande o far crescere uno strato 2D. L'esfoliazione significa staccare gli strati da un cristallo più grande finché non rimane un solo strato.
“Questo processo richiede molto tempo e richiede competenze e attrezzature specifiche”, afferma Antonija Grubišić-Čabo, scienziata delle superfici presso l’Università di Groningen (Paesi Bassi) e prima autrice dello studio. Scienza avanzata carta. “Inoltre, spesso si formano scaglie molto piccole, mentre il nastro adesivo utilizzato può lasciare polimeri sulle loro superfici.”
Un altro approccio è la crescita dei film in 2D. Ciò consente la produzione di campioni di grandi dimensioni in condizioni controllate. “Tuttavia, spesso ci vuole molto tempo per capire come far crescere tali materiali 2D. E il processo non sempre porta a uno strato perfetto”, afferma Grubišić-Čabo. Insieme all’ultimo autore Maciej Dendzik, ha riunito un “dream team” di colleghi, molti dei quali avevano precedentemente lavorato insieme all’Università di Aarhus (Danimarca) come studenti di dottorato, per sviluppare una tecnica semplice per la produzione di materiali 2D.
“Sapevamo di alcuni esperimenti in cui venivano utilizzate pellicole d’oro per esfoliare il materiale sfuso. Ma questi sono stati eseguiti principalmente in aria, il che significa che questa tecnica non è molto adatta per materiali sensibili all'aria o per la ricerca scientifica sulle superfici." Il team voleva una tecnica che consentisse la produzione di materiali 2D sensibili all'aria su una gamma di substrati . Nel loro primo tentativo, hanno usato un cristallo d'oro in una camera ad alto vuoto. "In pratica abbiamo sbattuto il cristallo sul materiale sfuso e abbiamo scoperto che un bello strato 2D si attaccava all'oro." Il motivo per cui ciò accade non è ancora chiaro, ma il team sospetta che il legame con l'oro sia più forte della forza di Van der Waals che lo mantiene gli strati nel cristallo sfuso insieme. Questa immagine mostra la configurazione per la sintesi cinetica in situ a strato singolo (KISS). Il materiale sfuso viene posizionato su un portacampioni con una molla per regolare l'impatto (freccia gialla). Viene quindi premuto contro il cristallo dorato (l'anello leggermente più luminoso sotto la freccia blu). Dopo il rilascio, uno strato 2D verrà attaccato al substrato dorato. (Foto: Antonija Grubišić-Čabo, Università di Groningen)
Si sono basati su questo primo esperimento, aggiungendo al palco una molla con il materiale sfuso che funge da ammortizzatore e consente quindi un migliore controllo dell'impatto del cristallo d'oro. Inoltre, il team ha dimostrato che sia l'argento che il germanio semiconduttore potrebbero essere utilizzati come substrato per staccare i materiali 2D.
“I cristalli d’oro sono una caratteristica standard nei laboratori di scienze delle superfici, dove vengono utilizzati, ad esempio, nella calibrazione degli strumenti. Agli scienziati non piace danneggiare questi cristalli, ma ciò non è accaduto in questi esperimenti”, afferma Grubišić-Čabo. “E da allora abbiamo modificato il protocollo per utilizzare pellicole sottili in oro monocristallino. Ciò ha l’ulteriore vantaggio di poter dissolvere l’oro in modo da poter isolare il campione 2D, purché sia ​​stabile nell’aria o nel liquido.’
Questi campioni isolati potranno essere utilizzati per la fase successiva: costruire dispositivi dai materiali 2D che verranno prodotti utilizzando la tecnica KISS. “Questo non è ancora possibile, ma ci stiamo lavorando”, dice Grubišić-Čabo. “Quindi, quello che abbiamo è una tecnica per produrre campioni 2D molto puliti e di grandi dimensioni in un modo molto semplice, che ci consente di creare materiali 2D sensibili all’aria. Inoltre, la nostra tecnica utilizza attrezzature standard presenti praticamente in ogni laboratorio di scienze delle superfici”.

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63092.php