Att producera stora, rena 2D-material på ett enkelt sätt: bara KISS

01 juni 2023 (Nanowerk Nyheter) Ända sedan upptäckten av den tvådimensionella formen av grafit (kallad grafen) för nästan tjugo år sedan, intresse för 2D material med sina speciella fysiska egenskaper har skjutit i höjden. Kända framställdes grafen genom att exfoliera bulkgrafit med hjälp av tejp. Även om det var tillräckligt bra för ett Nobelpris, har denna metod sina nackdelar. Ett internationellt team av ytforskare har nu utvecklat en enkel metod för att producera stora och mycket rena 2D-prover från en rad olika material med hjälp av tre olika substrat.
Deras metod, kinetisk in situ enkelskiktssyntes (KISS) beskrevs i tidskriften Avancerad vetenskap ("In situ exfolieringsmetod för 2D-material med stora ytor"). Konstnärlig skildring av KISS exfoliering och fotoemissionsexperiment. 2D-material separeras från moderkristallen på grund av starkare interaktion med substratet. UV-ljus används för att fotoemittera elektroner, vilket möjliggör studier av den elektroniska strukturen genom direkt avbildning av de elektroniska banden, som ses i bakgrunden. (Bild: Antonija Grubišić-Čabo och Dina Maniar, University of Groningen)
2D-material har fysiska egenskaper som inte delas av bulkmaterial. Instängningen av laddningsbärare är en anledning till detta. Det finns två sätt att producera dessa 2D-material: exfoliera en större kristall eller odla ett 2D-lager. Exfoliering innebär att du skalar av lager från en större kristall tills du bara har ett lager kvar.
"Denna process är tidskrävande och kräver specifik kompetens och utrustning", säger Antonija Grubišić-Čabo, ytforskare vid University of Groningen (Nederländerna) och första författare till Avancerad vetenskap papper. "Dessutom resulterar det ofta i mycket små flagor, medan den självhäftande tejpen som används kan lämna polymerer på sina ytor."
Att odla 2D-filmer är ett annat tillvägagångssätt. Detta möjliggör produktion av stora prover under kontrollerade förhållanden. "Men det tar ofta mycket tid att räkna ut hur man odlar sådana 2D-material. Och processen resulterar inte alltid i ett perfekt lager, säger Grubišić-Čabo. Tillsammans med sista författaren Maciej Dendzik satte hon ihop ett "drömteam" av kollegor, av vilka många tidigare arbetat tillsammans vid Aarhus Universitet (Danmark) som doktorander, för att utveckla en enkel teknik för produktion av 2D-material.
"Vi kände till några experiment där guldfilmer användes för att exfoliera bulkmaterial. Men dessa utfördes huvudsakligen i luft, vilket gör att denna teknik inte är särskilt lämplig för luftkänsliga material eller för ytforskning. Teamet ville ha en teknik som skulle möjliggöra produktion av luftkänsliga 2D-material på en rad olika substrat. I sitt första försök använde de en guldkristall i en högvakuumkammare. "Vi slog i princip kristallen på bulkmaterial och upptäckte att ett snyggt 2D-lager fastnade på guldet." Varför detta händer är ännu inte klart, men teamet misstänker att bandet med guldet är starkare än Van der Waals-kraften som håller ihop lagren i bulkkristallen. Den här bilden visar uppställningen för kinetisk in situ enkelskiktssyntes (KISS). Bulkmaterialet placeras på en provhållare med en fjäder för att reglera stöten (gul pil). Den trycks sedan mot guldkristallen (den något ljusare ringen under den blå pilen). Efter släppet kommer ett 2D-lager att fästas på guldsubstratet. (Bild: Antonija Grubišić-Čabo, University of Groningen)
De har byggt på detta första experiment och lagt till en fjäder till scenen med bulkmaterialet som fungerar som en stötdämpare och därmed möjliggör bättre kontroll av guldkristallens nedslag. Dessutom visade teamet att både silver och halvledargermanium kunde användas som ett substrat för att skala bort 2D-material.
”Guldkristaller är en standardfunktion i ytvetenskapliga laboratorier, där de till exempel används vid kalibrering av instrument. Forskare gillar inte att skada dessa kristaller, men det hände inte i dessa experiment, säger Grubišić-Čabo. Och vi har sedan dess ändrat protokollet till att använda tunna filmer av enkristallguld. Detta har den extra fördelen att vi kan lösa upp guldet så att vi kan isolera 2D-provet, så länge det är stabilt i luft eller vätska.'
Dessa isolerade prover kan användas för nästa steg: bygga enheter från 2D-material som kommer att produceras med hjälp av KISS-tekniken. "Detta är inte möjligt ännu, men vi jobbar på det", säger Grubišić-Čabo. "Så, vad vi har är en teknik för att producera mycket rena, stora 2D-prover på ett mycket enkelt sätt, vilket gör att vi kan skapa luftkänsliga 2D-material. Dessutom använder vår teknik standardutrustning som finns i praktiskt taget alla ytvetenskapliga laboratorier.'

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Köp och sälj aktier i PRE-IPO-företag med PREIPO®. Tillgång här.
• Källa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63092.php