En créant des chaînes atomiques dans un cristal bidimensionnel, les chercheurs de Penn State pensent avoir trouvé un moyen de contrôler la direction des propriétés des matériaux dans les cristaux bidimensionnels et tridimensionnels avec des implications dans la détection, l'optoélectronique et les applications électroniques de nouvelle génération.

Qu'un alliage ait un arrangement aléatoire d'atomes ou un arrangement ordonné peut avoir des effets importants sur les propriétés d'un matériau. Dans un article publié en ligne dans Lettres nano , Nasim Alem, professeur assistant en science et ingénierie des matériaux, et ses collègues de Penn State ont utilisé une combinaison de simulations et d'imagerie par microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) pour déterminer la structure atomique d'un alliage ordonné de molybdène, tungstène et soufre. Ils ont déterminé que les fluctuations de la quantité de soufre disponible étaient responsables de la création de chaînes atomiques de molybdène ou de tungstène.

"Nous avons découvert comment les chaînes se forment dans un alliage bidimensionnel à la suite de fluctuations de la quantité d'un précurseur particulier, dans ce cas le soufre, " dit Alem. " Normalement, lorsque nous combinons des atomes de différents éléments, nous ne savons pas comment contrôler où iront les atomes. Mais nous avons trouvé un mécanisme pour donner de l'ordre aux atomes, qui à son tour introduit le contrôle des propriétés, non seulement le transport de chaleur, comme c'est le cas dans ce travail, mais aussi électronique, propriétés chimiques ou magnétiques dans d'autres cas d'alliage. Si vous connaissez le mécanisme, vous pouvez l'appliquer pour organiser les atomes dans une large gamme d'alliages dans des cristaux 2D à travers le tableau périodique."

Dans le cas du molybdène, alliage de tungstène et de soufre, les chercheurs ont montré que les propriétés électroniques étaient les mêmes dans toutes les directions, mais en utilisant des simulations, ils prédisent que les propriétés de transport thermique sont plus petites perpendiculairement aux chaînes ou aux rayures.

"Nous ne savions pas pourquoi ce cristal forme une structure ordonnée, nous avons donc travaillé avec mon collègue le Dr Vin Crespi pour comprendre la physique sous-jacente qui provoque l'ordre dans ce cristal, " dit Alem. "Nos calculs montrent que ce sont les fluctuations du troisième élément, soufre, cela déterminait comment les chaînes se formaient. »

Vincent H. Crespi, éminent professeur de physique, et professeur de chimie et de science et ingénierie des matériaux, qui a développé la compréhension théorique du phénomène, mentionné, "Bien que l'intérieur de l'éclat soit indifférent à savoir si le molybdène ou le tungstène occupe n'importe quel site dans le réseau cristallin, le bord du cristal en croissance s'en soucie :selon la quantité de soufre disponible à un endroit donné, le bord préférera être soit 100 pour cent de molybdène soit 100 pour cent de tungstène. Ainsi, comme la disponibilité du soufre varie aléatoirement au cours de la croissance, le système dépose alternativement des rangées de molybdène ou de tungstène. Nous pensons que cela peut être un mécanisme général pour créer des structures en forme de rayures dans des matériaux 2D."

Amine Aziz, un doctorat candidat dans le groupe d'Alem et auteur principal, a produit l'imagerie et la spectroscopie STEM qui ont montré la structure atomique fine des échantillons d'alliage et leurs propriétés électroniques.

"Lorsque nous sommes capables d'imager directement les atomes constitutifs d'une substance, voir comment ils interagissent les uns avec les autres au niveau atomique et essayer de comprendre les origines de tels comportements, nous pourrions potentiellement créer de nouveaux matériaux aux propriétés inhabituelles qui n'ont jamais existé, ", a déclaré Aziz.

Une équipe dirigée par Mauricio Terrones, professeur de physique, produit des échantillons de cet alliage ordonné en vaporisant des poudres des trois éléments, appelés précurseurs, à haute température.