Gli studi scientifici che descrivono i processi più elementari spesso hanno il maggiore impatto a lungo termine. Un nuovo lavoro degli ingegneri della Rice University potrebbe essere uno di questi, ed è un gas, gas, gas per nanomateriali.

Il teorico dei materiali di riso Boris Yakobson, lo studente laureato Jincheng Lei e l'alunno Yu Xie della Brown School of Engineering di Rice hanno svelato come un popolare materiale 2-D, bisolfuro di molibdeno (MoS ₂ ), lampeggia in esistenza durante la deposizione chimica da vapore (CVD).

Sapere come funziona il processo darà a scienziati e ingegneri un modo per ottimizzare la produzione in serie di MoS ₂ e altri materiali di valore classificati come dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), cristalli semiconduttori che sono buone scommesse per trovare una casa nell'elettronica di prossima generazione.

Il loro studio sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano si concentra su MoS ₂ la "preistoria, " in particolare cosa succede in un forno CVD una volta che tutti gli ingredienti solidi sono a posto. CVD, spesso associato a grafene e nanotubi di carbonio, è stato sfruttato per realizzare una varietà di materiali 2-D fornendo precursori solidi e catalizzatori che sublimano in gas e reagiscono. La chimica stabilisce quali molecole cadono dal gas e si depositano su un substrato, come rame o silicone, e assemblare in un cristallo 2-D.

Il problema è che una volta che il forno si accende, è impossibile vedere o misurare la complicata catena di reazioni nello stufato chimico in tempo reale.

"Centinaia di laboratori stanno cucinando questi TMD, del tutto ignaro delle intricate trasformazioni che avvengono nel forno oscuro, " disse Yakobson, il Karl F. Hasselmann Professore di Scienza dei Materiali e Nanoingegneria e un professore di chimica. "Qui, stiamo usando simulazioni e analisi della chimica quantistica per rivelare cosa c'è, nell'oscurità, che porta alla sintesi."

Le teorie di Yakobson spesso portano gli sperimentali a realizzare le sue previsioni. (Per esempio, buckyballs di boro.) Questa volta, il laboratorio Rice ha determinato il percorso dell'ossido di molibdeno (MoO ₃ ) e polvere di zolfo portano a depositare un reticolo atomicamente sottile su una superficie.

La risposta breve è che ci vogliono tre passaggi. Primo, i solidi vengono sublimati mediante riscaldamento per trasformarli da solidi a gas, inclusa quella che Yakobson chiamava una "bella" molecola ad anello, trimolibdeno nonaossido (Mo ₃ oh ₉ ). Secondo, i gas contenenti molibdeno reagiscono con atomi di zolfo a calore elevato, fino a 4, 040 gradi Fahrenheit. Terzo, le molecole di molibdeno e zolfo cadono in superficie, dove si cristallizzano nel reticolo simile a jack che è caratteristico dei TMD.

Quello che accade nella fase centrale è stato il più interessante per i ricercatori. Le simulazioni del laboratorio hanno mostrato che tre principali reagenti in fase gassosa sono i principali sospettati nella produzione di MoS ₂ :Zolfo, l'anello Mo ₃ oh ₉ molecole che si formano in presenza di zolfo e il successivo ibrido di MoS ₆ che forma il cristallo, rilasciando atomi di zolfo in eccesso nel processo.

Lei ha affermato che le simulazioni di dinamica molecolare hanno mostrato le barriere di attivazione che devono essere superate per far avanzare il processo, solitamente in picosecondi.

"Nella nostra simulazione di dinamica molecolare, troviamo che questo anello si apre per la sua interazione con lo zolfo, che attacca l'ossigeno legato agli atomi di molibdeno, " disse. "L'anello diventa una catena, e ulteriori interazioni con le molecole di zolfo separano questa catena in monomeri di solfuro di molibdeno. La parte più importante è la rottura della catena, che supera la più alta barriera energetica."

Questa realizzazione potrebbe aiutare i laboratori a semplificare il processo, disse Lei. "Se riusciamo a trovare molecole precursori con un solo atomo di molibdeno, non avremmo bisogno di superare l'alta barriera di spezzare la catena, " Egli ha detto.

Yakobson ha detto che lo studio potrebbe applicarsi ad altri TMD.

"I risultati spesso portano la nanoingegneria empirica a diventare uno sforzo di base guidato dalla scienza, dove i processi possono essere previsti e ottimizzati, " Egli ha detto, osservando che mentre la chimica è stata generalmente nota sin dalla scoperta dei fullereni TMD nei primi anni '90, la comprensione delle specifiche favorirà lo sviluppo della sintesi 2-D.

"Solo ora possiamo 'sequenziare' la chimica passo dopo passo coinvolta, " ha detto Yakobson. "Questo ci permetterà di migliorare la qualità del materiale 2-D, e anche vedere quali prodotti collaterali del gas potrebbero essere utili e catturati lungo la strada, opportunità di apertura per l'ingegneria chimica."