10.12.2021 - Tohoku University

Neuartiger zweistufiger Mechanismus bei der Bildung 2D-Materialien entdeckt

Neuartige Monitoring- und Analysemethode

Zweidimensionale Materialien sind unglaublich dünn. 2D-Materialien sind in der Regel nur ein Atom dick und weisen höchst wünschenswerte Eigenschaften für fortschrittliche Technologien auf, wie z. B. Flexibilität, Supraleitfähigkeit und mehr. Solche Materialien und die Mechanismen, die ihnen diese Eigenschaften verleihen, sind noch immer ein Rätsel. Sie entstehen durch die sorgfältige Umwandlung einzelner Komponenten aus Gasen oder Dämpfen in kristalline Festkörper.

Durch eine neuartige Monitoring- und Analysemethode haben Forscher um Toshiaki Kato von der Tohoku-Universität nun einen entscheidenden Mechanismus bei der Entwicklung von 2D-Monolayer-Übergangsmetalldichalcogenid (TMD) aufgedeckt. Sie veröffentlichten ihren Ansatz und ihre Ergebnisse am 15. November in Scientific Reports.

"TMD gehören zu den bekanntesten Schichtmaterialien", sagte der Autor der Studie, Toshiaki Kato, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Elektrotechnik an der Tohoku Universität, und wies darauf hin, dass große Einzelschichten des Materials durch die Zugabe von Salzen ermöglicht werden. "Die Verbesserung der Qualität von TMD ist notwendig, um zukünftige flexible und transparente elektrische Geräte wie Sensoren, Solarzellen und Lichtemitter zu realisieren.

TMD wird durch Verdampfen eines Metalloxidpulvers und Zugabe von Salzen entwickelt. Bei herkömmlichen Verfahren werden hohe Temperaturen aufrechterhalten, wodurch die Moleküle des Metalloxid-Salz-Dampfes gezwungen werden, sich direkt zu einem kristallinen Festkörper umzuordnen. Diese Neuanordnung der Moleküle wird als Keimbildung bezeichnet, und es entsteht ein einlagiges TMD. Die Senkung des Schmelz- und Siedepunkts des Metalloxids verbessert jedoch diesen Übergang, da die verdampften Moleküle ihre Umgebung übersättigen und eine flüssige Phase bilden können, bevor sie sich zu einem Festkörper anordnen.

"Die Übersättigung des Metalloxids in der Dampfphase fördert die Bildung von Vorläufern in der flüssigen Phase, die als Vorläuferpfütze bekannt sind, was das Dampf-Flüssig-Fest-Wachstum gegenüber dem herkömmlichen Dampf-Fest-Wachstum begünstigt", sagte Kato und stellte fest, dass die Wachstumsrate von Dampf-Flüssig-Fest-TMD mindestens zwei Größenordnungen höher ist als die von Dampf-Fest-TMD. "Trotz dieses Fortschritts ist die kritische Dynamik der Keimbildungsphase für das salzunterstützte Wachstum noch nicht aufgeklärt; dies ist sowohl für die Grundlagenforschung als auch für industrielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung.

Um die Keimbildung von Dampf-Flüssigkeit-Feststoff-TMD besser zu verstehen, haben die Forscher ein bildgebendes Überwachungssystem eingerichtet, das zeigt, wie sich die Dampfchemikalien bei der TMD-Synthese als Feststoff ablagern.

"In dieser Studie haben wir die direkte Visualisierung des Phasenübergangs von flüssigen Vorläufern zu festen TMD durch Überwachung der chemischen Dampfabscheidung und automatisierte Bildanalyse realisiert", sagte Kato. "Durch diesen Ansatz haben wir einen neuartigen Keimbildungsmechanismus gefunden."

Beim Dampf-Feststoff-Wachstum ordnen sich die Moleküle des Dampfes direkt zum Festkörper um. Die Forscher fanden heraus, dass die Moleküle beim Dampf-Flüssigkeit-Festkörper-Wachstum einen zweistufigen Keimbildungsprozess durchlaufen: Der Dampf geht in flüssige Tröpfchen über, die sich zu stabilen, aber veränderlichen Clustern zusammenlagern. Wenn sich die Temperatur ändert, bilden die Molekülcluster die kristallinen Festkörper.

"Ein solch detailliertes Verständnis der TMD-Keimbildungsdynamik kann nützlich sein, um eine perfekte Strukturkontrolle von TMDs zu erreichen, was für zukünftige industrielle Anwendungen von Nutzen wäre", sagte Kato. "Unsere erfundene Methode zur Überwachung der chemischen Gasphasenabscheidung und der automatischen Bildanalyse könnte auch auf andere Nanomaterialien angewendet werden, um deren Keimbildung und Wachstumsmechanismen besser zu verstehen."

Als Nächstes planen die Forscher, den neu entdeckten Keimbildungsmechanismus für die Synthese von TMD in ultrahoher Qualität zu nutzen.

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