Une pincée de sel peut simplifier la création de matériaux bidimensionnels, et merci aux scientifiques de l'Université Rice, la raison devient claire.

Boris Yakobson, un professeur Rice de science des matériaux et nano-ingénierie et de chimie, était l'expert de référence lorsqu'un groupe de laboratoires à Singapour, Chine, Le Japon et Taïwan ont utilisé du sel pour créer une « bibliothèque » de matériaux 2D combinant des métaux de transition et des chalcogènes.

Ces composés pourraient conduire à des transistors plus petits et plus rapides, photovoltaïque, capteurs et catalyseurs, selon les chercheurs.

Grâce à des simulations de dynamique moléculaire de premier principe et à des calculs énergétiques précis, Yakobson et ses collègues ont déterminé que le sel réduit la température à laquelle certains éléments interagissent dans un four de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Cela facilite la formation de couches d'épaisseur atomique similaires au graphène, mais avec la possibilité de personnaliser leur composition chimique pour un matériau de couche spécifique et, par conséquent, électrique, optique, propriétés catalytiques et autres propriétés utiles.

L'équipe de recherche comprenant le chercheur postdoctoral Yakobson et Rice Yu Xie et l'étudiant diplômé Jincheng Lei a présenté ses résultats cette semaine dans La nature .

L'équipe dirigée par Zheng Liu de l'Université technologique de Nanyang à Singapour a utilisé sa technique chevronnée avec CVD pour créer 47 composés de chalcogénures métalliques (qui contiennent un chalcogène et un métal électropositif). La plupart des nouveaux composés avaient deux ingrédients, mais certains étaient des alliages de trois, quatre et même cinq. Beaucoup de matériaux avaient été imaginés et même convoités, Yakobson a dit, mais jamais fait.

Dans le processus de CVD, atomes excités par les températures, dans ce cas entre 600 et 850 degrés Celsius (1, 112 et 1, 562 degrés Fahrenheit)-former un gaz et finalement se déposer sur un substrat, se liant à des atomes de chimie complémentaire pour former des cristaux monocouches.

Les chercheurs soupçonnaient déjà que le sel pourrait faciliter le processus, dit Yakobson. Liu est venu le voir pour demander une analyse de modèle moléculaire pour savoir pourquoi le sel facilitait la fusion des métaux avec les chalcogènes et les faisait réagir. Cela les aiderait à savoir si cela pourrait fonctionner dans la palette plus large du tableau périodique.

"Ils ont fait un travail d'une ampleur impressionnante pour fabriquer beaucoup de nouveaux matériaux et pour caractériser chacun d'eux de manière exhaustive, " Yakobson a déclaré. " De notre point de vue théorique, la nouveauté de cette étude est que nous comprenons maintenant mieux pourquoi l'ajout de sel ordinaire abaisse le point de fusion de ces oxydes métalliques et surtout réduit les barrières énergétiques des intermédiaires sur le chemin de leur transformation en chalcogénures.

Que ce soit sous forme de sel de table commun (chlorure de sodium) ou de composés plus exotiques comme l'iodure de potassium, le sel s'est avéré permettre des réactions chimiques en abaissant la barrière énergétique qui empêche autrement les molécules d'interagir à des températures inférieures aux ultra-hautes températures, dit Yakobson.

"J'appelle ça un 'assaut salé, '" dit-il. "C'est important pour la synthèse. D'abord, lorsque vous essayez de combiner des particules solides, peu importe qu'ils soient petits, ils ont encore des contacts limités les uns avec les autres. Mais si vous les faites fondre, avec l'aide du sel, vous obtenez beaucoup de contacts au niveau moléculaire.

"Seconde, le sel réduit le point de sublimation, où un solide subit une transformation de phase en gaz. Cela signifie qu'une plus grande partie des molécules composant le matériau passe en phase gazeuse. That's good for general transport and contact issues and helps the reaction overall."

The Rice team discovered the process doesn't facilitate the formation of the 2-D-material itself directly so much as it allows for the formation of intermediate oxychlorides. These oxychlorides then lead to the 2-D chalcogenide growth.

Detailing this process required intensive atom-by-atom simulations, Yakobson said. These took weeks of heavy-duty computations of the quantum interactions among as few as about 100 atoms – all to show just 10 picoseconds of a reaction. "We only did four of the compounds because they were so computationally expensive, and the emerging picture was clear enough, " Yakobson said.