Un team di scienziati della National University of Singapore (NUS) ha sviluppato con successo un metodo per esfoliare chimicamente i cristalli di bisolfuro di molibdeno, una classe di composti calcogenuri, in fiocchi monostrato di alta qualità, con una resa maggiore e una dimensione del fiocco maggiore rispetto ai metodi attuali. I fiocchi esfoliati possono essere trasformati in una soluzione stampabile, che può essere applicato nella fotonica stampabile e nell'elettronica.

Questa svolta, guidato dal professor Loh Kian Ping, che dirige il Dipartimento di Chimica presso la Facoltà di Scienze del NUS, ed è anche Principal Investigator presso il Graphene Research Center presso la Facoltà, ha generica applicabilità ad altri calcogenuri bidimensionali, come diseleniuro di tungsteno e disolfuro di titanio, e si traduce in un'esfoliazione ad alto rendimento per tutti questi materiali bidimensionali.

Il team NUS ha collaborato con scienziati dell'Ulsan National Institute of Scienza e tecnologia in Corea, e i risultati sono stati pubblicati per la prima volta online su prestigiose riviste scientifiche Comunicazioni sulla natura il 2 gennaio 2014.

Richiesta di un metodo di esfoliazione ad alta efficienza

Dicalcogenuri di metalli di transizione, formato da una combinazione di calcogeni, come zolfo o selenio, e metalli di transizione, come molibdeno o tungsteno, hanno recentemente attirato grande attenzione come la prossima generazione di materiali bidimensionali grazie alle loro proprietà elettroniche e ottiche uniche, per applicazioni in dispositivi optoelettronici come i solari a film sottile, fotorivelatori circuiti logici flessibili e sensori.

Però, gli attuali processi di produzione di calcogenuri stampabili a strato singolo richiedono molto tempo e la resa è scarsa. I fiocchi prodotti sono di dimensioni inferiori al micron, che rendono difficile isolare un singolo foglio per realizzare dispositivi elettronici.

Poiché la maggior parte delle applicazioni richiede fiocchi puliti e di grandi dimensioni, ciò evidenzia una chiara necessità di esplorare nuovi modi per produrre dicalcogenuri di metalli di transizione monostrato di alta qualità con un'elevata resa.

Svolta nella produzione

Per affrontare il collo di bottiglia della produzione, il team NUS ha esplorato gli addotti metallici del naftalene. Hanno preparato addotti naftalenidi di litio, sodio e potassio, e confrontato l'efficienza di esfoliazione e la qualità del bisolfuro di molibdeno generato. Le fasi del trattamento sono dettagliate nell'allegato.

Utilizzando un metodo di espansione e intercalazione in due fasi, i ricercatori sono stati in grado di produrre fogli di bisolfuro di molibdeno monostrato di alta qualità con scaglie di dimensioni senza precedenti.

I ricercatori hanno anche dimostrato che i fiocchi esfoliati di bisolfuro di molibdeno possono essere trasformati in una soluzione stampabile, e si possono stampare film in formato wafer, in quanto la buona dispersione e l'elevata viscosità dei fiocchi lo rendono particolarmente adatto alla stampa a getto d'inchiostro.

In un'analisi comparativa, Dottor Zheng Jian, il primo autore del saggio, che è anche ricercatore presso il Dipartimento di Chimica della Facoltà di Scienze della NUS, hanno scoperto che il metodo di intercalazione della naftaleniuro di metalli alcalini applicato possiede vantaggi significativi rispetto al metodo convenzionale.

Commentando il significato dei risultati, Il professor Loh ha detto, "Attualmente, c'è un collo di bottiglia nello sviluppo di calcogenuri bidimensionali processati in soluzione. Il nostro team ha sviluppato un agente esfoliante alternativo utilizzando i sali organici del naftalene e questo nuovo metodo è più efficiente dei precedenti metodi basati sulla soluzione. Può essere applicato anche ad altre classi di calcogenuri bidimensionali."

"Considerando la versatilità di questo metodo, può essere adottato come nuovo punto di riferimento nella chimica dell'esfoliazione dei calcogenuri bidimensionali, " Ha aggiunto.

Ulteriori ricerche sui dispositivi stampabili

Il campo in rapida crescita della fotonica stampata, l'elettronica e l'optoelettronica richiedono un'elevata qualità dei materiali, precisa deposizione del materiale, e ottica specifica per l'applicazione, elettrico, chimico, e proprietà meccaniche.

Per approfondire la loro ricerca e per soddisfare l'industria, Il prof. Loh e il suo team cercheranno di sviluppare inchiostri basati su diversi tipi di calcogenuri bidimensionali esfoliati con il loro nuovo metodo in modo da produrre dispositivi optoelettronici stampabili. Verranno inoltre testate le proprietà ottiche non lineari dei fiocchi che hanno prodotto.