Beobachten zweidimensionaler Materialien wachsen

Elektrostatik: Coulombsches Gesetz, elektrische Feldstärke, Feldlinien und Potential (Juli 2019).

Anonim

Sie gehören zu den dünnsten Strukturen auf der Erde: "zweidimensionale Materialien" sind Kristalle, die aus nur einer oder wenigen Atomschichten bestehen. Sie weisen oft ungewöhnliche Eigenschaften auf und versprechen viele neue Anwendungen in der Optoelektronik und Energietechnik. Eines dieser Materialien ist 2-D-Molybdänsulfid, eine atomar dünne Schicht aus Molybdän- und Schwefelatomen.

Die Herstellung solcher ultradünner Kristalle ist schwierig. Der Kristallisationsprozess hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. In der Vergangenheit haben verschiedene Techniken zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen geführt, aber die Gründe dafür konnten nicht genau erklärt werden. Dank einer neuen Methode, die von Forscherteams der TU Wien, der Universität Wien und Joanneum Research in der Steiermark entwickelt wurde, ist es nun erstmals möglich, den Kristallisationsprozess direkt unter dem Elektronenmikroskop zu beobachten. Die Methode wurde jetzt in der Fachzeitschrift ACS Nano vorgestellt.

Von Gas zu Kristall

"Molybdänsulfid kann in transparenten und flexiblen Solarzellen oder zur nachhaltigen Erzeugung von Wasserstoff zur Energiespeicherung eingesetzt werden", sagt der Erstautor der Studie, Bernhard C. Bayer vom Institut für Materialchemie der TU Wien. "Um dies zu erreichen, müssen jedoch qualitativ hochwertige Kristalle unter kontrollierten Bedingungen gezüchtet werden."

Gewöhnlich geschieht dies, indem mit Atomen in Gasform begonnen wird und diese dann auf einer Oberfläche zufällig und unstrukturiert kondensiert werden. In einem zweiten Schritt werden die Atome in regelmäßiger Kristallform angeordnet - beispielsweise durch Erhitzen. "Die vielfältigen chemischen Reaktionen während des Kristallisationsprozesses sind jedoch noch unklar, so dass es sehr schwierig ist, bessere Herstellungsmethoden für solche 2D-Materialien zu entwickeln", erklärt Bayer.

Dank einer neuen Methode sollte es nun möglich sein, die Einzelheiten des Kristallisationsprozesses genau zu untersuchen. "Dies bedeutet, dass es nicht mehr notwendig ist, durch Versuch und Irrtum zu experimentieren, aber dank eines tieferen Verständnisses der Prozesse können wir sicher sagen, wie wir das gewünschte Produkt erhalten", fügt Bayer hinzu.

Graphen als Substrat

Zuerst werden Molybdän und Schwefel zufällig auf einer Membran aus Graphen platziert. Graphen ist wahrscheinlich das bekannteste der 2D-Materialien - ein Kristall mit einer Dicke von nur einer Atomlage, die aus Kohlenstoffatomen besteht, die in einem Wabengitter angeordnet sind. Die zufällig angeordneten Molybdän- und Schwefelatome werden dann im Elektronenmikroskop mit einem feinen Elektronenstrahl manipuliert. Derselbe Elektronenstrahl kann gleichzeitig verwendet werden, um den Prozess abzubilden und den Kristallisationsprozess zu initiieren.

So ist es nun erstmals möglich, direkt zu beobachten, wie sich die Atome beim Wachstum des nur zwei Atomlagen dicken Materials bewegen und neu ordnen. "Dabei können wir sehen, dass die thermodynamisch stabilste Konfiguration nicht immer immer der Endzustand sein muss", sagt Bayer. Verschiedene Kristallarrangements konkurrieren miteinander, verwandeln sich ineinander und ersetzen sich gegenseitig. "Daher ist jetzt klar, warum frühere Untersuchungen so unterschiedliche Ergebnisse hatten. Wir haben es mit einem komplexen, dynamischen Prozess zu tun." Die neuen Erkenntnisse werden dazu beitragen, die Struktur der 2-D-Materialien in Zukunft gezielter an die Anforderungen der Anwendungen anzupassen, indem die Umlagerungsprozesse gezielt gestört werden.

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