En se mettant en travers, les atomes de fluor aident un matériau bidimensionnel à se transformer d'un semi-conducteur en un métal d'une manière qui pourrait être très utile pour l'électronique et d'autres applications.

Une étude menée par le scientifique des matériaux de Rice Pulickel Ajayan et l'auteur principal Sruthi Radhakrishnan détaille une nouvelle méthode pour transformer le disulfure de tungstène d'un semi-conducteur à un état métallique.

D'autres laboratoires ont réalisé la transformation en ajoutant des éléments au matériau - un processus connu sous le nom de dopage - mais le changement n'a jamais été stable auparavant. Des tests et des calculs chez Rice ont montré des verrous fluorés au bisulfure de tungstène dans le nouvel état, qui a des propriétés optiques et magnétiques uniques.

Les chercheurs ont également noté l'effet de la transformation sur les propriétés tribologiques du matériau - une mesure de la friction, lubrification et usure. En bref, l'ajout de fluor rend le matériau plus glissant à température ambiante.

Le travail du laboratoire est détaillé dans Matériaux avancés .

Le disulfure de tungstène est un dichalcogénure de métal de transition (TMD), un semi-conducteur d'épaisseur atomique. Contrairement au graphène, qui est un réseau plat d'atomes de carbone, un TMD intègre deux éléments, un un atome de métal de transition (dans ce cas, tungstène) et l'autre (soufre) un chalcogène. Le matériau n'est pas strictement plat; la couche de métal de transition est prise en sandwich entre le chalcogène, formant un réseau à trois couches.

Les TMD sont des blocs de construction potentiels avec d'autres matériaux 2D pour le stockage d'énergie, électrocatalyse et lubrification, qui sont tous influencés par la transformation de phase maintenant stable.

Parce que les atomes de fluor sont beaucoup plus petits que l'espace de 0,6 nanomètre entre les couches de tungstène et de soufre, les chercheurs ont déclaré que les atomes invasifs se frayaient un chemin entre les deux, perturber le réseau ordonné du matériau. Le fluor permet aux avions soufrés de planer de telle ou telle manière, et le commerce d'électrons qui en résulte entre le fluor et le soufre explique également les propriétés uniques.

"Ce fut certainement une grande surprise. Lorsque nous avons commencé ce travail, une transformation de phase était la dernière chose que nous nous attendions à voir », a déclaré Radhakrishnan, un ancien étudiant diplômé du laboratoire d'Ajayan et maintenant ingénieur de module chez Intel Corp. à Hillsboro, Minerai.

"Il est vraiment surprenant que les caractéristiques de friction du disulfure de tungstène fluoré soient entièrement différentes du graphène fluoré qui a été étudié auparavant, " a déclaré le co-auteur Tobin Filleter, professeur agrégé de génie mécanique à l'Université de Toronto. "C'est une motivation pour étudier des matériaux 2D similaires pour explorer un comportement aussi intéressant."

Les chercheurs ont déclaré que le fluor semble non seulement réduire la bande interdite et rendre le matériau plus conducteur, mais également provoquer des défauts qui créent des "îlots" métalliques le long de la surface du matériau qui présentent également des propriétés paramagnétiques et ferromagnétiques. "Ces régions de disulfure de tungstène métallique sont magnétiques et elles interfèrent les unes avec les autres, créer des propriétés magnétiques intéressantes, " dit Radhakrishnan.

Plus loin, parce que les atomes de fluor sont électriquement négatifs, ils sont également soupçonnés de modifier la densité électronique des atomes voisins. Cela modifie les propriétés optiques du matériau, ce qui en fait un candidat pour les applications de détection et de catalyse. Radhakrishnan a suggéré que les matériaux pourraient également être utiles dans leur phase métallique en tant qu'électrodes pour les supercondensateurs et d'autres applications de stockage d'énergie.

Radhakrishnan a déclaré que différentes concentrations de fluor modifient la proportion de changement par rapport à la phase métallique, mais le changement est resté stable dans les trois concentrations étudiées en laboratoire.

"La transformation de phase, l'évolution des propriétés avec fonctionnalisation par le fluor et ses évolutions magnétiques et tribologiques sont très excitantes, " Ajayan a déclaré. " Cela peut être étendu à d'autres matériaux en couches 2-D et je suis sûr que cela ouvrira des applications captivantes. "