Bidimensionnel, les matériaux stratifiés sont très prometteurs pour un certain nombre d'applications, telles que les plates-formes alternatives pour la prochaine génération de dispositifs logiques et de mémoire et les dispositifs de stockage d'énergie flexibles. Il y a encore beaucoup, cependant, qui reste inconnu à leur sujet.

Deux études du laboratoire de Judy Cha, le professeur agrégé Carol et Douglas Melamed de génie mécanique et de science des matériaux et membre du Yale West Campus Energy Sciences Institute, répondre à quelques questions cruciales sur ces matériaux. Les deux études ont été financées par des subventions de l'Army Research Office (ARO), un élément du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine, et ont été publiés dans Matériaux électroniques avancés.

Dans un papier, Cha et son équipe de chercheurs, en collaboration avec les professeurs de chimie de Yale Nilay Hazari et Hailiang Wang, mesuré expérimentalement les effets de dopage précis de petites molécules sur des matériaux 2D, une première étape vers l'adaptation de molécules pour moduler les propriétés électriques des matériaux 2D. En train de le faire, ils ont également atteint une concentration de dopage très élevée.

Dopage — ajout d'impuretés telles que le bore ou le phosphore au silicium, par exemple, est essentiel au développement des semi-conducteurs. Il permet le réglage des densités de porteurs - le nombre d'électrons et d'autres porteurs de charge - pour produire un dispositif fonctionnel. Méthodes de dopage conventionnelles, cependant, ont tendance à être trop énergivores et potentiellement dommageables pour bien fonctionner pour les matériaux 2D.

Au lieu, parce que les matériaux 2-D sont à peu près toute la surface, les chercheurs peuvent saupoudrer de petites molécules appelées donneurs d'électrons organiques (OED) sur les surfaces, et activez les matériaux 2-D, c'est-à-dire créer une fonctionnalisation de surface. Grâce à la chimie organique, la méthode est remarquablement efficace. Il élargit également considérablement le choix du matériau utilisé. Pour cette étude, Cha a utilisé du bisulfure de molybdène (MoS 2 ).

Cependant, optimiser davantage ces matériaux, les chercheurs ont besoin d'un plus grand niveau de précision. Ils ont besoin de savoir combien d'électrons chaque molécule de l'OED donne au matériau 2-D, et combien de molécules sont nécessaires au total.

"En faisant cela, nous pouvons aller de l'avant et concevoir correctement, savoir tordre les molécules puis augmenter les densités de porteurs, " dit Cha.

Pour effectuer cet étalonnage, Cha et son équipe ont utilisé la microscopie à force atomique au centre d'imagerie du campus ouest de Yale. Pour leur matériel, ils ont atteint une efficacité de dopage d'environ un électron par molécule, ce qui leur a permis de démontrer le niveau de dopage le plus élevé jamais atteint au MoS2. Cela n'a été possible que par les mesures précises qui ont été effectuées.

"Maintenant que nous connaissons le pouvoir de dopage, nous ne sommes plus dans l'espace obscur de ne pas savoir où nous sommes, " dit-elle. " Avant, nous pouvions nous doper mais nous ne pouvions pas savoir à quel point ce dopage est efficace. Maintenant, nous avons des densités d'électrons cibles que nous voulons atteindre et nous avons l'impression de savoir comment y parvenir."

Dans un deuxième article, L'équipe de Cha a examiné les effets de la contrainte mécanique sur la commande de lithium dans les batteries lithium-ion.

Les batteries lithium-ion commerciales actuelles utilisent du graphite comme anode. Lorsque le lithium est inséré dans les interstices entre les couches de graphène qui composent le graphite, les lacunes doivent s'élargir pour faire de la place aux atomes de lithium.

"Alors nous avons demandé 'Et si vous arrêtiez cette expansion?'", a déclaré Cha. "Nous avons constaté que la contrainte locale affecte l'ordre de l'ion lithium. Les ions lithium sont effectivement ralentis."

Quand il y a une énergie de tension, le lithium n'est pas capable de se déplacer aussi librement qu'avant, et plus d'énergie est nécessaire pour forcer le lithium dans sa configuration préférée.

En calculant les effets exacts de l'énergie de déformation, L'équipe de recherche de Cha a pu démontrer avec précision à quel point les atomes de lithium ralentissent.

L'étude a des implications plus larges, en particulier si le champ s'éloigne des batteries au lithium au profit de celles fabriquées à partir d'autres matériaux plus facilement disponibles, comme le sodium ou le magnésium, qui peut également être utilisé pour les piles rechargeables.

"Le sodium et le magnésium sont beaucoup plus gros, donc l'écart doit s'élargir beaucoup plus par rapport au lithium, donc les effets de la tension seront beaucoup plus dramatiques, ", a-t-elle déclaré. Les expériences de l'étude fournissent une compréhension similaire des effets que la contrainte mécanique pourrait avoir sur ces autres matériaux.

Les chercheurs de l'ARO ont déclaré que les études de Cha seraient très utiles pour faire avancer leurs propres travaux.

"Les résultats obtenus dans ces deux études liées à de nouveaux matériaux bidimensionnels sont d'une grande importance pour développer de futures applications avancées de l'armée dans la détection et le stockage d'énergie, " a déclaré le Dr Pani Varanasi, chef de succursale, ARO.