Tipico WS2 monostrato e monocristallo cresciuto con un nuovo metodo di monitoraggio e analisi. Credito:Toshiaki Kato
Tipicamente solo un atomo di spessore, i materiali 2D mostrano proprietà altamente desiderabili per tecnologie avanzate, come flessibilità, superconduttività e altro. Costituiti da un'attenta transizione di singoli componenti da gas o vapore a solidi cristallini, tali materiali e i meccanismi attraverso i quali vengono impregnati di tali caratteristiche sono ancora avvolti nel mistero.
Ora, attraverso un nuovo metodo di monitoraggio e analisi, i ricercatori guidati da Toshiaki Kato presso la Tohoku University hanno rivelato un meccanismo fondamentale nello sviluppo del dichalcogenuro di metallo di transizione monostrato 2D (TMD). Hanno pubblicato il loro approccio e le loro scoperte il 15 novembre in Rapporti scientifici .
"I TMD sono tra i materiali stratificati più conosciuti", ha affermato l'autore della carta Toshiaki Kato, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università di Tohoku, osservando che i grandi strati singoli del materiale sono abilitati dall'aggiunta di sali. "Il miglioramento della qualità del TMD è necessario per realizzare futuri dispositivi elettrici flessibili e trasparenti, come sensori, celle solari ed emettitori di luce."
TMD è sviluppato vaporizzando una polvere di ossido di metallo e aggiungendo sali. Gli approcci convenzionali mantengono alte temperature, costringendo le molecole del vapore di ossido di metallo e sale a riorganizzarsi direttamente in un solido cristallino. Questo riarrangiamento delle molecole è noto come nucleazione e cresce nel TMD monostrato. Tuttavia, l'abbassamento dei punti di fusione e di ebollizione dell'ossido metallico migliora questa transizione consentendo alle molecole vaporizzate di sovrasaturare il loro ambiente e produrre una fase liquida prima di organizzarsi in un solido.
"La supersaturazione dell'ossido di metallo nella fase vapore promuove la creazione di precursori in fase liquida, noti come la pozza del precursore, che promuove la crescita vapore-liquido-solido rispetto alla crescita vapore-solido convenzionale", ha detto Kato, osservando che il tasso di crescita del vapore - il TMD liquido-solido è almeno due ordini di grandezza superiore a quello del TMD vapore-solido. "Nonostante questi progressi, la dinamica critica della fase di nucleazione non è stata ancora chiarita per la crescita assistita dal sale; raggiungere questo obiettivo è fondamentale sia per le applicazioni fondamentali che per quelle industriali".
Per comprendere meglio la nucleazione del TMD vapore-liquido-solido, i ricercatori hanno creato un sistema di monitoraggio delle immagini di come le sostanze chimiche del vapore si sono depositate come un solido nella sintesi del TMD.
"In questo studio, abbiamo realizzato la visualizzazione diretta della transizione di fase dai precursori liquidi al TMD solido monitorando la deposizione di vapore chimico e l'analisi automatizzata dell'immagine", ha affermato Kato. "Attraverso questo approccio, abbiamo trovato un nuovo meccanismo di nucleazione."
Nella crescita vapore-solido, le molecole del vapore si riorganizzano direttamente nel solido. I ricercatori hanno scoperto che, nella crescita vapore-liquido-solido, le molecole attraversano un processo di nucleazione in due fasi:le fasi del vapore in goccioline liquide, che si formano in gruppi stabili ma mutevoli. Al variare della temperatura, i gruppi di molecole formano i solidi cristallini.
"Una comprensione così dettagliata delle dinamiche di nucleazione dei TMD può essere utile per ottenere un controllo perfetto della struttura dei TMD, che sarebbe utile per future applicazioni industriali", ha affermato Kato. "Il nostro metodo inventato per monitorare la deposizione di vapore chimico e l'analisi automatizzata delle immagini potrebbe essere applicato anche ad altri nanomateriali per comprendere più a fondo i loro meccanismi di nucleazione e crescita."
I ricercatori hanno poi in programma di sfruttare il meccanismo di nucleazione appena rivelato per sintetizzare TMD di altissima qualità. + Esplora ulteriormente
