Ispirato dal lavoro del ricercatore giapponese sui fiocchi di neve Ukichiro Nakaya, gli scienziati dei materiali della Rice University, l'Università della Pennsylvania, hanno creato un diagramma simile a Nakaya di forme di cristalli 2D di disolfuro di molibdeno prodotte tramite deposizione chimica da vapore (a sinistra) e un diagramma morfologico completo di solfuro di molibdeno (a destra). Credito:MSNE/Rice University
Gli scienziati dei materiali della Rice University e dell'Università della Pennsylvania chiedono un collettivo, sforzo globale per accelerare la produzione di massa di materiali 2-D come il grafene e il bisolfuro di molibdeno.
In un articolo prospettico pubblicato online in Materiali oggi , il redattore capo della rivista Jun Lou e i suoi colleghi sostengono che un sforzo collettivo per affrontare le sfide della ricerca che potrebbero aprire la strada alla produzione di massa su larga scala di materiali 2-D.
Lou e gli altri scienziati dei materiali di Rice Ming Tang, Jing Zhang e Fan Wang si sono uniti a Vivek Shenoy di Penn nel descrivere la potenziale trasformazione nella tecnologia dei materiali 2-D che potrebbe derivare da una sistematica, sforzo a livello comunitario per mappare le forme dei cristalli 2-D che vengono coltivati nei laboratori di tutto il mondo tramite un processo noto come deposizione chimica da vapore (CVD).
"Come i fiocchi di neve in natura, I cristalli 2-D mostrano una ricca varietà di morfologie in diverse condizioni di crescita, " scrissero.
Mappando questi modelli di cristallo unici e compilando le mappe in un database globale, accanto alle ricette per creare ogni cartamodello, potrebbe sbloccare una ricchezza di informazioni "per la comprensione, diagnosticare e controllare il processo CVD e l'ambiente per la crescita del materiale 2-D, " hanno scritto i ricercatori.
CVD è un processo comunemente usato per creare film sottili, compresi i materiali commercialmente importanti nell'industria dei semiconduttori. In una tipica reazione CVD, un foglio piatto di materiale chiamato substrato è posto in una camera di reazione e i gas sono fatti fluire attraverso la camera in modo tale che reagiscano e formino una pellicola solida sopra il substrato.
Una serie di forme cristalline di dicalcogenuri di metalli di transizione 2D come ripreso con un microscopio elettronico a scansione. Credito:MSNE/Rice University
Uno degli obiettivi del settore è lo sviluppo di un software per computer in grado di prevedere con precisione le proprietà di un film sottile che risulterà dalla miscelazione di gas reagenti specifici in condizioni specifiche. La creazione di tali modelli è complicata sia da una comprensione incompleta dei processi fisici e chimici che avvengono durante la CVD sia dall'esistenza di dozzine di formati di reattori CVD.
La catalogazione della forma dei cristalli prodotti dagli esperimenti CVD potrebbe fornire agli scienziati dei materiali importanti informazioni sulla loro sintesi, più o meno allo stesso modo in cui i mineralogisti recuperano preziosi indizi sulla storia della Terra basati sull'esame delle strutture cristalline presenti in natura, Lou e colleghi hanno suggerito.
"Prendi come esempio i bellissimi fiocchi di neve, " scrivono gli autori. "Un fatto forse sorprendente per molti è che i cristalli di neve possono esibire molte diverse categorie di forme, che dipendono dalla temperatura e dalla sovrasaturazione dell'acqua dell'atmosfera in cui si formano."
Lo scienziato giapponese Ukichiro Nakaya, attraverso ampie osservazioni dei fiocchi di neve sia in natura che in laboratorio, ha sviluppato una figura nota come diagramma di Nakaya per aiutare a decifrare le informazioni nei fiocchi di neve. Esaminando le forme in un fiocco di neve, e vedendo dove si trovano quelle forme sul diagramma di Nakaya, gli scienziati possono determinare le condizioni atmosferiche esatte che hanno prodotto il fiocco di neve, che Nakaya poeticamente chiamava "una lettera dal cielo".
Ispirato dal lavoro di Nakaya, Lou e colleghi hanno creato un diagramma simile a Nakaya di modelli di cristalli 2-D che sono stati prodotti tramite CVD e hanno dimostrato come esso e altri diagrammi morfologici potrebbero essere utilizzati per dedurre indizi sulle variabili di processo come le portate del gas e le temperature di riscaldamento che hanno prodotto ogni modello.
Grazie ai progressi nell'imaging in tempo reale e nei sistemi automatizzati in grado di produrre grandi set di dati di strutture cristalline, gli autori hanno affermato che esiste "un reale potenziale per lo sviluppo del diagramma morfologico per diventare una pratica comune e fungere da pietra angolare della crescita dei cristalli".
