Un dispositivo nanomeccanico progettato dagli scienziati della Rice University viene utilizzato per misurare la forza di nanomateriali bidimensionali come il diseleniuro di molibdeno, oggetto di un recente studio della Rice che lo ha trovato molto più fragile del grafene. Credito:Lou Group/Rice University
Gli scienziati della Rice University hanno scoperto che un materiale dello spessore di un atomo utilizzato per l'elettronica flessibile e i dispositivi ottici di prossima generazione è più fragile di quanto si aspettassero.
Il team Rice guidato dallo scienziato dei materiali Jun Lou ha testato la resistenza alla trazione di bidimensionali, semiconduttore diseleniuro di molibdeno e ha scoperto che difetti piccoli come un atomo mancante possono avviare una rottura catastrofica sotto sforzo.
Il rapporto della squadra appare questo mese in Materiale avanzato .
La scoperta potrebbe indurre l'industria a esaminare più attentamente le proprietà dei materiali 2-D prima di incorporarli in nuove tecnologie, Egli ha detto.
"Si scopre che non tutti i cristalli 2-D sono uguali, " ha detto Lou, un professore di scienza dei materiali e nanoingegneria di Rice. "Il grafene è molto più robusto rispetto ad alcuni degli altri con cui abbiamo a che fare in questo momento, come questo diseleniuro di molibdeno. Pensiamo che abbia qualcosa a che fare con i difetti inerenti a questi materiali".
I difetti potrebbero essere piccoli come un singolo atomo che lascia un vuoto nella struttura cristallina, Egli ha detto. "È molto difficile individuarli, " ha detto. "Anche se un gruppo di posti vacanti crea un buco più grande, è difficile da trovare usando qualsiasi tecnica. Potrebbe essere possibile vederli con un microscopio elettronico a trasmissione, ma sarebbe così laborioso che non sarebbe utile".
Il diseleniuro di molibdeno è un dicalcogenuro, un materiale semiconduttore bidimensionale che dall'alto appare come una matrice esagonale simile al grafene, ma in realtà è un sandwich di atomi metallici tra due strati di atomi di calcogeno, in questo caso, selenio. Il diseleniuro di molibdeno viene preso in considerazione per l'uso come transistor e nelle celle solari di prossima generazione, fotorivelatori e catalizzatori, nonché dispositivi elettronici e ottici.
Lou e colleghi hanno misurato il modulo elastico del materiale, la quantità di allungamento che un materiale può gestire e tornare allo stato iniziale, a 177,2 (più o meno 9,3) gigapascal. Il grafene è più di cinque volte più elastico. Hanno attribuito la grande variazione a difetti preesistenti compresi tra 3,6 e 77,5 nanometri.
La sua resistenza alla frattura, la quantità di allungamento che un materiale può sopportare prima di rompersi, è stata misurata a 4,8 (più o meno 2,9) gigapascal. Il grafene è quasi 25 volte più forte.
Parte del progetto guidato dal ricercatore post-dottorato di Rice Yingchao Yang richiedeva di spostare il diseleniuro di molibdeno da una camera di crescita in un forno di deposizione chimica da vapore a un microscopio senza introdurre ulteriori difetti. Yang ha risolto il problema utilizzando un processo di trasferimento a secco al posto di un lavaggio acido standard che avrebbe rovinato i campioni.
Visto dall'alto, gli atomi nel diseleniuro di molibdeno bidimensionale assomigliano a una griglia esagonale, come il grafene. Ma in realtà, gli atomi di molibdeno più scuri sono inseriti tra gli strati superiore e inferiore di atomi di seleniuro. I ricercatori della Rice University hanno testato il materiale per la sua resistenza alla trazione. Credito:Lou Group/Rice University
Per testare i campioni, Yang ha posizionato rettangoli di diseleniuro di molibdeno su una piattaforma di microscopio elettronico sensibile inventata dal gruppo Lou. Le forze naturali di van der Waals hanno tenuto i campioni in posizione su bracci a sbalzo elastici che hanno misurato lo stress applicato.
Lou ha detto che il gruppo ha tentato di misurare la resistenza alla frattura del materiale, un indicatore della probabilità di propagazione delle crepe, come avevano fatto in uno studio precedente sul grafene. Ma hanno scoperto che le crepe pre-tagliate nel diseleniuro di molibdeno hanno provocato la frantumazione prima che lo stress potesse essere applicato, Egli ha detto.
"Il messaggio importante di questo lavoro è la natura fragile di questi materiali, " Lou ha detto. "Molte persone stanno pensando di utilizzare i cristalli 2-D perché sono intrinsecamente sottili. Stanno pensando all'elettronica flessibile perché sono semiconduttori e la loro forza elastica teorica dovrebbe essere molto alta. Secondo i nostri calcoli, possono essere allungati fino al 10 percento.
"Ma in realtà, a causa dei difetti intrinseci, raramente puoi ottenere così tanta forza. I campioni che abbiamo testato finora si sono rotti al massimo dal 2 al 3 percento (del massimo teorico), " Disse Lou. "Questo dovrebbe comunque andare bene per la maggior parte delle applicazioni flessibili, ma a meno che non trovino un modo per estinguere i difetti, sarà molto difficile raggiungere i limiti teorici."
Una sequenza mostra un campione di diseleniuro di molibdeno montato su un dispositivo di misurazione nanomeccanico presso la Rice University, dove gli scienziati determinano che il materiale è molto più fragile di quanto si aspettassero. Il materiale spesso come un atomo viene progressivamente allungato nelle foto, in senso orario da in alto a sinistra, fino a quando non si spacca completamente. I ricercatori sospettano che difetti piccoli come un singolo atomo siano il punto di partenza per il comportamento fragile. Credito:Lou Group/Rice University
