Inspiré des travaux du chercheur japonais en flocons de neige Ukichiro Nakaya, des scientifiques des matériaux de l'Université Rice de l'Université de Pennsylvanie ont créé un diagramme de type Nakaya de formes cristallines 2D de bisulfure de molybdène produites par dépôt chimique en phase vapeur (à gauche) et un diagramme de morphologie complet du sulfure de molybdène (à droite). Crédit :MSNE/Rice University
Les scientifiques des matériaux de l'Université Rice et de l'Université de Pennsylvanie appellent à un collectif, effort mondial pour accélérer la production de masse de matériaux 2D comme le graphène et le bisulfure de molybdène.
Dans un article de perspective publié en ligne dans Matériaux aujourd'hui , le rédacteur en chef de la revue Jun Lou et ses collègues plaident en faveur d'un effort collectif pour relever les défis de la recherche qui pourraient ouvrir la voie à la production de masse à grande échelle de matériaux 2D.
Lou et ses collègues scientifiques des matériaux de riz Ming Tang, Jing Zhang et Fan Wang ont rejoint Vivek Shenoy de Penn pour décrire la transformation potentielle de la technologie des matériaux 2D qui pourrait résulter d'une approche systématique, effort à l'échelle de la communauté pour cartographier les formes des cristaux 2-D qui sont cultivés dans les laboratoires du monde entier via un processus connu sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
"Comme les flocons de neige dans la nature, Les cristaux 2-D présentent une riche variété de morphologies dans différentes conditions de croissance, " ils ont écrit.
Cartographier ces motifs cristallins uniques et compiler les cartes dans une base de données mondiale, aux côtés des recettes pour créer chaque motif, pourrait débloquer une mine d'informations "pour comprendre, diagnostiquer et contrôler le processus et l'environnement CVD pour la croissance des matériaux 2D, ", ont écrit les chercheurs.
CVD est un procédé couramment utilisé pour créer des films minces, y compris les matériaux commercialement importants dans l'industrie des semi-conducteurs. Dans une réaction CVD typique, une feuille plate de matériau appelée substrat est placée dans une chambre de réaction et les gaz circulent à travers la chambre de telle manière qu'ils réagissent et forment un film solide au-dessus du substrat.
Un réseau de formes cristallines de dichalcogénures de métaux de transition 2D comme imagé avec un microscope électronique à balayage. Crédit :MSNE/Rice University
L'un des objectifs du domaine est de développer un logiciel informatique qui peut prédire avec précision les propriétés d'un film mince qui résultera du mélange de gaz réactifs spécifiques dans des conditions spécifiques. La création de tels modèles est compliquée à la fois par une compréhension incomplète des processus physiques et chimiques qui se déroulent pendant la CVD et par l'existence de dizaines de formats de réacteurs CVD.
Le catalogage de la forme des cristaux produits par les expériences CVD pourrait fournir aux scientifiques des matériaux des informations importantes sur leur synthèse, de la même manière que les minéralogistes récupèrent des indices précieux sur l'histoire de la Terre basés sur l'examen des structures cristallines naturelles, Lou et ses collègues ont suggéré.
"Prenez comme exemple les beaux flocons de neige, " les auteurs ont écrit. " Un fait peut-être surprenant pour beaucoup est que les cristaux de neige peuvent présenter de nombreuses catégories de formes différentes, qui dépendent de la température et de la sursaturation en eau de l'atmosphère dans laquelle ils se forment."
Le scientifique japonais Ukichiro Nakaya, grâce à des observations approfondies des flocons de neige dans la nature et en laboratoire, a développé une figure connue sous le nom de diagramme de Nakaya pour aider à déchiffrer les informations contenues dans les flocons de neige. En examinant les formes d'un flocon de neige, et voyant où se trouvent ces formes sur le diagramme de Nakaya, les scientifiques peuvent déterminer les conditions atmosphériques exactes qui ont produit le flocon de neige, que Nakaya appelait poétiquement « une lettre du ciel ».
Inspiré du travail de Nakaya, Lou et ses collègues ont créé un diagramme de type Nakaya de motifs cristallins 2D produits par CVD et ont démontré comment ce diagramme, ainsi que d'autres diagrammes morphologiques, pouvaient être utilisés pour déduire des indices sur les variables de processus telles que les débits de gaz et les températures de chauffage qui ont produit chaque motif.
Grâce aux progrès de l'imagerie en temps réel et des systèmes automatisés capables de produire de grands ensembles de données de structures cristallines, les auteurs ont déclaré qu'il existe "un réel potentiel pour que le développement de diagrammes morphologiques devienne une pratique courante et serve de pierre angulaire à la croissance cristalline".
