Caratterizzando le proprietà termiche del bisolfuro di molibdeno cristallino, un importante materiale bidimensionale (2-D), si è rivelato impegnativo. Ora i ricercatori di A*STAR hanno sviluppato una tecnica semplice che potrebbe aprire la strada al suo utilizzo in un'ampia gamma di nuove applicazioni nell'accumulo di energia, dispositivi elettronici optoelettronici e flessibili.

bisolfuro di molibdeno esagonale (MoS2), uno dei dicalcogenuri, una famiglia di metalli di transizione semiconduttori, ha attirato notevole attenzione come materiale bidimensionale (2-D) grazie alle sue notevoli proprietà elettroniche e optoelettroniche. È anche notevole per la sua impressionante forza e flessibilità, che derivano dal reticolo esagonale di atomi di molibdeno racchiusi tra strati di atomi di zolfo.

Determinare le caratteristiche termiche di MoS2 è la chiave per sbloccare le sue sorprendenti proprietà, ma la sua complessa geometria e i molti calcoli richiesti per i fononi - i diversi modi vibrazionali degli atomi in un reticolo cristallino - sono un processo computazionale costoso e dispendioso in termini di tempo.

Chee Kwan Gan e Yu Yang Fredrik Liu dell'A*STAR Institute of High Performance Computing hanno sviluppato una tecnica numerica che riduce drasticamente il numero di calcoli, consentendo di calcolare in modo accurato ed efficiente il coefficiente di espansione termica, che determina come la loro forma e dimensione cambiano in risposta ai cambiamenti di temperatura, dei cristalli MoS2, e potrebbe essere applicato anche ad altri importanti materiali 2-D.

"Pensa a un fonone come a una particella legata a una molla, dove vibra con uno schema fisso a una frequenza fissa, " spiega Gan. "Ci sono molti modi fononici in un cristallo come il disolfuro di molibdeno, e la sfida è calcolarli tutti."

Deformando un cristallo di MoS2, i ricercatori hanno determinato la variazione di frequenza per ogni fonone nella struttura reticolare, e applicando un metodo numerico, basato sulla teoria delle perturbazioni, a queste frequenze alterate; sono stati in grado di stimare le caratteristiche termiche del cristallo, noti come parametri di Grüneisen. Questi parametri sono stati poi utilizzati per calcolare i coefficienti di dilatazione termica per MoS2 esagonale.

"Il nostro metodo utilizza la piena simmetria della struttura esagonale per ridurre la quantità di calcolo a soli quattro insiemi di calcoli fononici rispetto all'approssimazione quasi armonica - l'approccio tradizionale - che ne richiede molti di più, "dice Gan.

L'opera presenta, per la prima volta, un metodo accurato e semplice per determinare le proprietà termiche di MoS2, e fornisce una comprensione più profonda della conduzione termica nei materiali 2-D.

"Il nostro obiettivo a lungo termine è estendere l'approccio ad altri semiconduttori tecnologicamente importanti, materiali bidimensionali, come il seleniuro di bismuto, "dice Gan.