Généralement d'une épaisseur d'un seul atome, les matériaux 2D présentent des propriétés hautement souhaitables pour les technologies avancées, telles que la flexibilité, la supraconductivité et plus encore. Fabriqués à partir de composants individuels passant soigneusement du gaz ou de la vapeur aux solides cristallins, ces matériaux et les mécanismes par lesquels ils s'imprègnent de telles caractéristiques sont encore entourés de mystère.

Maintenant, grâce à une nouvelle méthode de surveillance et d'analyse, des chercheurs dirigés par Toshiaki Kato de l'Université de Tohoku ont révélé un mécanisme critique dans le développement du dichalcogénure de métal de transition monocouche 2D (TMD). Ils ont publié leur approche et leurs conclusions le 15 novembre dans Rapports scientifiques .

"Les TMD font partie des matériaux en couches les plus connus", a déclaré l'auteur de l'article Toshiaki Kato, professeur agrégé au Département de génie électronique de l'Université de Tohoku, notant que de grandes couches simples du matériau sont rendues possibles par l'ajout de sels. "L'amélioration de la qualité du TMD est nécessaire pour réaliser les futurs dispositifs électriques flexibles et transparents, tels que les capteurs, les cellules solaires et les émetteurs de lumière."

Le TMD est développé en vaporisant une poudre d'oxyde métallique et en ajoutant des sels. Les approches conventionnelles maintiennent des températures élevées, forçant les molécules de la vapeur de sel d'oxyde métallique à se réarranger directement en un solide cristallin. Ce réarrangement de molécules est connu sous le nom de nucléation et se développe dans la monocouche TMD. Cependant, l'abaissement des points de fusion et d'ébullition de l'oxyde métallique améliore cette transition en permettant aux molécules vaporisées de sursaturer leur environnement et de produire une phase liquide avant de s'organiser en un solide.

"La sursaturation de l'oxyde métallique en phase vapeur favorise la création de précurseurs en phase liquide, connus sous le nom de flaque de précurseurs, qui favorise la croissance vapeur-liquide-solide par rapport à la croissance conventionnelle vapeur-solide", a déclaré Kato, notant que le taux de croissance de la vapeur -la TMD liquide-solide est supérieure d'au moins deux ordres de grandeur à celle de la TMD vapeur-solide. "Malgré ces progrès, la dynamique critique de la phase de nucléation n'a pas encore été élucidée pour la croissance assistée par le sel ; y parvenir est crucial pour les applications fondamentales et industrielles."

Pour mieux comprendre la nucléation du TMD vapeur-liquide-solide, les chercheurs ont mis en place un système de surveillance par imagerie de la façon dont les produits chimiques en phase vapeur se déposent sous forme solide dans la synthèse du TMD.

"Dans cette étude, nous avons réalisé la visualisation directe de la transition de phase des précurseurs liquides au TMD solide en surveillant le dépôt chimique en phase vapeur et l'analyse d'image automatisée", a déclaré Kato. "Grâce à cette approche, nous avons découvert un nouveau mécanisme de nucléation."

Dans la croissance vapeur-solide, les molécules de la vapeur se réarrangent directement dans le solide. Les chercheurs ont découvert que, dans la croissance vapeur-liquide-solide, les molécules passent par un processus de nucléation en deux étapes :les phases vapeur en gouttelettes liquides, qui forment des amas stables mais changeants. Lorsque la température change, les amas de molécules forment les solides cristallins.

"Une telle compréhension détaillée de la dynamique de nucléation des TMD peut être utile pour obtenir un contrôle parfait de la structure des TMD, ce qui serait utile pour les futures applications industrielles", a déclaré Kato. "Notre méthode inventée de surveillance du dépôt chimique en phase vapeur et d'analyse d'image automatisée pourrait également être appliquée à d'autres nanomatériaux pour mieux comprendre leurs mécanismes de nucléation et de croissance."

Les chercheurs prévoient ensuite d'exploiter le mécanisme de nucléation récemment révélé pour synthétiser du TMD de très haute qualité. + Explorer plus loin

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