La perfection n'est pas tout, selon une équipe internationale de chercheurs dont l'étude des matériaux en 2D montre que les défauts peuvent améliorer la physique d'un matériau, électrochimique, magnétique, propriétés énergétiques et catalytiques.

"Appareils électroniques, comme les transistors, sont généralement constitués de couches de métal empilées relativement volumineuses, oxydes et semi-conducteurs cristallins, " a déclaré Shengxi Huang, professeur assistant en génie électrique, État de Penn. "Nous aimerions les fabriquer avec des matériaux bidimensionnels afin qu'ils puissent être plus rapides, plus petit et plus flexible."

Pour faire ça, les chercheurs étudient des couches atomiques uniques de sulfure de molybdène. Ils rapportent les résultats de leur enquête dans un récent numéro de ACS Nano .

Le sulfure de molybdène est une molécule composée d'un atome de molybdène auquel sont attachés deux atomes de soufre. Les molécules s'alignent avec le molybdène au milieu et les atomes de soufre en haut et en bas lors de la formation d'un 2-D, une seule couche, film. Ces films ont été placés sur une variété de substrats-or, graphène monocouche, nitrure de bore hexagonal et dioxyde de cérium et irradiés pour créer des défauts dans la structure du réseau.

La création de matériaux 2D n'est pas un processus de fabrication parfait et des défauts sont toujours présents dans le réseau. Les chercheurs voulaient déterminer comment ces défauts modifiaient les propriétés physiques et électrochimiques du sulfure de molybdène. L'irradiation fait qu'une partie du sulfure de molybdène perd un atome de soufre de la surface. En utilisant ces films moins que parfaits, les chercheurs ont pu voir comment les matériaux ont changé en utilisant une variété de microscopies et de spectroscopies.

Des simulations de défauts de réseau ont permis aux chercheurs de manipuler les matériaux et de produire des structures correspondant aux films expérimentalement défectueux. Ils ont constaté que les résultats des propriétés des matériaux de leurs simulations correspondaient à leurs résultats expérimentaux.

"Nous avons constaté que les défauts de soufre amélioraient les caractéristiques physiques du matériau, " a déclaré Huang. " En choisissant les emplacements et le nombre de défauts, nous devrions pouvoir ajuster la structure de bande du matériau, l'amélioration de ses capacités électroniques."

Expérimentalement, les chercheurs ont découvert que beaucoup plus d'atomes de soufre sont perdus que d'atomes de molybdène, car le soufre est sur les surfaces et le molybdène est protégé au milieu. Ils ont également noté que parce que tant d'atomes de soufre quittent le matériau, les défauts causés par l'absence de soufre écrasent tout effet que l'absence d'un molybdène dans le réseau pourrait avoir.

Enquêter sur la façon dont différents substrats ont amélioré ou n'ont pas amélioré les propriétés du matériau bidimensionnel, les chercheurs ont découvert que "les substrats peuvent régler les niveaux d'énergie électronique dans le sulfure de molybdène en raison du transfert de charge à l'interface". Les propriétés matérielles du substrat modifient également les propriétés de la couche unique bidimensionnelle. Dioxyde de cérium, car c'est un oxyde, modifié les propriétés électriques du matériau différemment des autres substrats.

Plus petite, une électronique plus rapide et plus flexible n'est pas le seul résultat possible du réglage de ces matériaux 2D.

"Si nous avons la bonne quantité de vacances de soufre, nous pouvons améliorer les processus chimiques comme l'évolution de l'hydrogène à partir de l'eau, " dit Huang.

Des matériaux comme le sulfure de molybdène sont utilisés comme catalyseurs dans les réactions chimiques. Huang fait référence au fractionnement de l'eau, un processus utilisé pour créer de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux à partir d'eau liquide où le sulfure de molybdène correctement défectueux pourrait améliorer le processus et réduire les quantités d'énergie et les coûts nécessaires et augmenter la quantité d'hydrogène produit.

Le molybdène est un métal de transition et d'autres membres de ce groupe atomique forment également des molécules appelées dichalcogénures. Il s'agit notamment du tungstène, niobium, zirconium, le titane et le tantale et ils forment des couches avec du soufre et d'autres chalcogénures tels que le sélénium et le tellure. D'autres dichalcogénures peuvent être transformés en matériaux 2-D et peuvent également être ajustables pour améliorer leurs propriétés.