Des chercheurs de l'Université Rice et du Laboratoire national d'Oak Ridge ont déterminé que les matériaux bidimensionnels cultivés sur un cône permettent de contrôler l'emplacement des défauts appelés joints de grains. Ces défauts peuvent être utilisés pour améliorer l'électronique des matériaux, mécanique, propriétés catalytiques et optiques. Crédit :Groupe de recherche Yakobson/Université Rice
Les chercheurs de l'Université Rice ont appris à manipuler des matériaux bidimensionnels pour concevoir des défauts qui améliorent les propriétés des matériaux.
Le laboratoire Rice du physicien théoricien Boris Yakobson et ses collègues du laboratoire national d'Oak Ridge combinent théorie et expérimentation pour prouver qu'il est possible de donner aux matériaux 2D des défauts spécifiques, en particulier les coutures à l'échelle atomique appelées joints de grains. Ces limites peuvent être utilisées pour améliorer l'électronique des matériaux, magnétique, mécanique, propriétés catalytiques et optiques.
La clé est d'introduire une courbure dans le paysage qui limite la façon dont les défauts se propagent. Les chercheurs appellent cette « topologie des joints de grains inclinés, " et ils y parviennent en faisant croître leurs matériaux sur un substrat topographiquement incurvé - dans ce cas, un cône. L'angle du cône dicte si, quel genre et où les limites apparaissent.
La recherche fait l'objet d'un article dans la revue American Chemical Society ACS Nano .
Les joints de grain sont les bords qui apparaissent dans un matériau où les bords se rencontrent dans un décalage. Ces limites sont une série de défauts; par exemple, lorsque deux feuilles de graphène hexagonal se rencontrent à un angle, les atomes de carbone le compensent en formant des cycles non hexagonaux (à cinq ou sept chaînons).
Un modèle théorique à gauche, créé à l'Université Rice, montre un flocon triangulaire de disulfure de tungstène développé autour d'un cône qui force la création d'un joint de grain à un angle spécifique. Les chercheurs de Rice ont montré que la largeur du cône pouvait être utilisée pour déterminer l'emplacement de la limite, et les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge l'ont prouvé lorsqu'ils ont fabriqué le matériau correspondant vu dans l'image au microscope électronique à droite. Crédit :Université Rice/Laboratoire national d'Oak Ridge
Yakobson et son équipe ont déjà démontré que ces limites peuvent avoir une signification électronique. Ils peuvent, par exemple, transformer le graphène parfaitement conducteur en semi-conducteur. Dans certains cas, la frontière elle-même peut être un fil conducteur à l'échelle subnano ou prendre des propriétés magnétiques.
Mais jusqu'à présent, les chercheurs avaient peu de contrôle sur l'endroit où ces limites apparaîtraient lors de la culture du graphène, bisulfure de molybdène ou d'autres matériaux 2-D par dépôt chimique en phase vapeur.
La théorie développée à Rice a montré que la croissance de matériau 2-D sur un cône forcerait les limites à apparaître à certains endroits. La largeur du cône contrôlait le placement et, plus important, l'angle d'inclinaison, un paramètre crucial dans le réglage des propriétés électroniques et magnétiques des matériaux, dit Yakobson.
Des collaborateurs expérimentaux d'Oak Ridge dirigés par le co-auteur David Geohegan ont fourni des preuves étayant les aspects clés de la théorie. Ils y sont parvenus en cultivant du disulfure de tungstène sur de petits cônes similaires à ceux des modèles informatiques de Rice. Les limites qui apparaissaient dans les matériaux réels correspondaient à celles prédites par la théorie.
Des chercheurs de l'Université Rice et du Laboratoire national d'Oak Ridge ont prédit et confirmé que les matériaux bidimensionnels cultivés sur un cône permettent de contrôler l'emplacement des défauts appelés joints de grains. A gauche, un modèle Rice prédit comment un joint de grain se formerait sur un cône raide et s'étendrait sur un cône peu profond. Les scientifiques d'Oak Ridge ont confirmé la prédiction lorsqu'ils ont créé le matériau vu dans une image au microscope électronique à droite. Crédit :Université Rice/Laboratoire national d'Oak Ridge
"La forme non plane du substrat force le cristal 2-D à croître dans un espace 'non euclidien' incurvé, " Yakobson a dit. " Cela tend le cristal, qui cède parfois en laissant place aux coutures, ou joints de grains. Ce n'est pas différent de la façon dont un tailleur ajouterait une couture à un costume ou à une robe pour s'adapter à une cliente ronde."
Des cônes de modélisation de différentes largeurs ont également révélé un "cône magique" de 38,9 degrés sur lequel la croissance d'un matériau 2D ne laisserait aucun joint de grain.
L'équipe Rice a étendu sa théorie pour voir ce qui se passerait si les cônes étaient assis dans un avion. Ils ont prédit comment les joints de grains se formeraient sur toute la surface, et encore, Les expériences d'Oak Ridge ont confirmé leurs résultats.
Yakobson a déclaré que les équipes de Rice et d'Oak Ridge travaillaient indépendamment sur certains aspects de la recherche. "C'était lent jusqu'à ce que nous nous rencontrions lors d'une conférence en Floride il y a quelques années et réalisions que nous devions continuer ensemble, " a-t-il dit. " C'était certainement gratifiant de voir comment les expériences ont confirmé les modèles, tout en offrant parfois d'importantes surprises. Maintenant, nous devons faire le travail supplémentaire pour les comprendre également. »
