Les études scientifiques décrivant les processus les plus élémentaires ont souvent le plus grand impact à long terme. Un nouveau travail des ingénieurs de l'Université Rice pourrait en être un, et c'est un gaz, gaz, gaz pour les nanomatériaux.

Le théoricien des matières rizicoles Boris Yakobson, L'étudiant diplômé Jincheng Lei et l'ancien élève Yu Xie de la Brown School of Engineering de Rice ont dévoilé comment un matériau 2-D populaire, bisulfure de molybdène (MoS 2 ), apparaît lors du dépôt chimique en phase vapeur (CVD).

Connaître le fonctionnement du processus donnera aux scientifiques et aux ingénieurs un moyen d'optimiser la fabrication en vrac de MoS 2 et d'autres matériaux de valeur classés comme dichalcogénures de métaux de transition (TMD), cristaux semi-conducteurs qui sont de bons paris pour trouver une place dans l'électronique de nouvelle génération.

Leur étude dans la revue American Chemical Society ACS Nano se concentre sur le MoS 2 's "la préhistoire, " spécifiquement ce qui se passe dans un four CVD une fois que tous les ingrédients solides sont en place. CVD, souvent associé au graphène et aux nanotubes de carbone, a été exploité pour fabriquer une variété de matériaux 2D en fournissant des précurseurs solides et des catalyseurs qui se subliment en gaz et réagissent. La chimie dicte quelles molécules tombent du gaz et se déposent sur un substrat, comme le cuivre ou le silicone, et assembler dans un cristal 2-D.

Le problème est qu'une fois que le four démarre, il est impossible de voir ou de mesurer la chaîne compliquée de réactions dans le ragoût chimique en temps réel.

"Des centaines de laboratoires préparent ces TMD, tout à fait inconscient des transformations complexes qui se produisent dans le four sombre, " dit Yakobson, le professeur Karl F. Hasselmann de science des matériaux et de nano-ingénierie et un professeur de chimie. "Ici, nous utilisons des simulations et des analyses de chimie quantique pour révéler ce qu'il y a, dans le noir, qui mène à la synthèse."

Les théories de Yakobson conduisent souvent les expérimentateurs à réaliser ses prédictions. (Par exemple, buckyballs de bore.) Cette fois, le laboratoire Rice a déterminé le chemin de l'oxyde de molybdène (MoO 3 ) et la poudre de soufre prennent pour déposer un réseau atomiquement mince sur une surface.

La réponse courte est qu'il faut trois étapes. D'abord, les solides sont sublimés par chauffage pour les transformer de solide en gaz, y compris ce que Yakobson a appelé une « belle » molécule en anneau, nonaoxyde de trimolybdène (Mo 3 O 9 ). Seconde, les gaz contenant du molybdène réagissent avec des atomes de soufre à haute température, jusqu'à 4, 040 degrés Fahrenheit. Troisième, les molécules de molybdène et de soufre tombent à la surface, où ils se cristallisent dans le réseau en forme de vérins caractéristique des TMD.

Ce qui se passe à mi-parcours était le plus intéressant pour les chercheurs. Les simulations du laboratoire ont montré qu'un trio de principaux réactifs en phase gazeuse sont les principaux suspects dans la fabrication de MoS 2 :Soufre, le Mo en forme d'anneau 3 O 9 molécules qui se forment en présence de soufre et l'hybride subséquent de MoS 6 qui forme le cristal, libérant des atomes de soufre en excès dans le processus.

Lei a déclaré que les simulations de dynamique moléculaire ont montré les barrières d'activation qui doivent être surmontées pour faire avancer le processus, généralement en picosecondes.

"Dans notre simulation de dynamique moléculaire, nous constatons que cet anneau est ouvert par son interaction avec le soufre, qui attaque l'oxygène lié aux atomes de molybdène, " dit-il. " L'anneau devient une chaîne, et d'autres interactions avec les molécules de soufre séparent cette chaîne en monomères de sulfure de molybdène. La partie la plus importante est la rupture de la chaîne, qui surmonte la barrière énergétique la plus élevée."

Cette prise de conscience pourrait aider les laboratoires à rationaliser le processus, dit Lei. "Si nous pouvons trouver des molécules précurseurs avec un seul atome de molybdène, nous n'aurions pas besoin de surmonter la haute barrière de la rupture de la chaîne, " il a dit.

Yakobson a déclaré que l'étude pourrait s'appliquer à d'autres TMD.

"Les résultats amènent souvent la nano-ingénierie empirique à devenir une entreprise guidée par la science fondamentale, où les processus peuvent être prédits et optimisés, " il a dit, notant que si la chimie est généralement connue depuis la découverte des fullerènes TMD au début des années 90, comprendre les spécificités favorisera le développement de la synthèse 2-D.

"Ce n'est que maintenant que nous pouvons " séquencer " la chimie étape par étape impliquée, " Yakobson a déclaré. " Cela nous permettra d'améliorer la qualité du matériel 2-D, et aussi voir quels sous-produits du gaz pourraient être utiles et capturés en cours de route, ouvrant des opportunités pour le génie chimique."