18 augustus 2023 (Nanowerk Nieuws) Het creëren van nieuwe materialen door lagen met unieke, gunstige eigenschappen te combineren, lijkt een vrij intuïtief proces: stapel de materialen op elkaar en stapel de voordelen op elkaar. Dit is echter niet altijd het geval. Niet elk materiaal laat energie er op dezelfde manier doorheen stromen, waardoor de voordelen van het ene materiaal ten koste gaan van het andere. Met behulp van geavanceerde tools hebben wetenschappers van het Center for Functional Nanomaterials (CFN), een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory en het Institute of Experimental Physics van de Universiteit van Warschau een nieuwe gelaagde structuur gecreëerd met 2D-materiaal dat een unieke overdracht van energie en lading vertoont. Het begrijpen van de materiaaleigenschappen kan leiden tot vooruitgang in technologieën zoals zonnecellen en andere opto-elektronische apparaten. De resultaten zijn gepubliceerd in Nano Letters ("Excitatie-afhankelijke hoogliggende excitonische uitwisseling via energieoverdracht tussen lagen van 2D-materiaal met lagere naar hogere bandgap").
De QPress-faciliteit bij CFN. (Afbeelding: Brookhaven National Laboratory) "Het is moeilijk om de QPress met iets te vergelijken", zegt Suji Park, een stafwetenschapper van Brookhaven die gespecialiseerd is in elektronische materialen. “Het bouwt laag voor laag een structuur op, zoals een 3D-printer, maar 2D-heterostructuren worden op een heel andere manier gebouwd. De QPress creëert materiaallagen die een atoom of twee dik zijn, analyseert ze, catalogiseert ze en brengt ze ten slotte samen. Robotica wordt gebruikt om deze ultradunne lagen systematisch te fabriceren om nieuwe heterostructuren te creëren.” De QPress heeft drie op maat gemaakte modules: de exfoliator, cataloger en stapelaar. Om 2D-lagen te creëren, gebruiken wetenschappers de exfoliator. Vergelijkbaar met de handmatige plakbandtechniek, heeft de exfoliator een gemechaniseerde rolconstructie die dunne lagen van grotere bronkristallen exfolieert met bedieningselementen die een soort precisie bieden die niet met de hand kan worden bereikt. Eenmaal verzameld en verdeeld, worden de bronkristallen op een siliconenoxidewafel gedrukt en afgepeld. Ze worden vervolgens doorgegeven aan de catalogiseerder, een geautomatiseerde microscoop die verschillende optische karakteriseringstechnieken combineert. De catalogiseerder gebruikt machine learning (ML) om interesses te identificeren die vervolgens in een database worden gecatalogiseerd. Momenteel wordt ML getraind met alleen grafeengegevens, maar onderzoekers zullen verschillende soorten 2D-materialen blijven toevoegen. Wetenschappers kunnen deze database gebruiken om de materiaalvlokken te vinden die ze nodig hebben voor hun onderzoek.
Als de benodigde materialen beschikbaar zijn, kunnen wetenschappers de stapelaar gebruiken om er heterostructuren van te fabriceren. Met behulp van zeer nauwkeurige robotica nemen ze de monstervlokken en rangschikken ze in de gewenste volgorde, onder elke gewenste hoek, en brengen ze substraten over om de uiteindelijke heterostructuur te creëren, die voor later gebruik op lange termijn in een monsterbibliotheek kan worden opgeslagen. Het klimaat wordt gecontroleerd om de kwaliteit van de monsters te waarborgen en het fabricageproces, van afschilfering tot het bouwen van heterostructuren, wordt uitgevoerd in een omgeving met inert gas in een handschoenkast. De geëxfolieerde vlokken en de gestapelde monsters worden onder vacuüm opgeslagen in de monsterbibliotheken van het QPress-cluster. Bovendien zijn instrumenten voor elektronenstraalverdamping, annealing en zuurstofplasma beschikbaar in de vacuümzijde van het cluster. Robotica wordt gebruikt om monsters van het ene gebied van de QPress naar het volgende door te geven. Als deze nieuwe heterostructuren eenmaal zijn gefabriceerd, wat doen ze dan eigenlijk en hoe doen ze dat?
Nadat het team van CFN deze fascinerende nieuwe materialen met de QPress had vervaardigd, integreerden ze de materialen met een reeks geavanceerde microscopie- en spectroscopietools waarmee ze opto-elektronische eigenschappen konden onderzoeken zonder de monsters aan lucht bloot te stellen, wat materiaalstructuren zou aantasten. Sommige van de delicate, exotische kwantumeigenschappen op 2D-materialen hebben ultralage cryotemperaturen nodig om te worden gedetecteerd, tot slechts een paar kelvin. Anders raken ze verstoord door de minste hoeveelheid warmte of chemicaliën in de lucht.
Het werk van Al-Mahboob wordt gefinancierd door het DOE Quantum Materials: Integrated Multimodal Characterization and Processing (QM-IMCP) project dat CFN is gaan bouwen.
Monsters van de overgangsmetaaldichalcogeniden. (Afbeelding: Brookhaven National Laboratory) Energie wil zich over materialen verplaatsen, zoals iemand een ladder wil beklimmen, maar het heeft een houvast nodig. Bandgaps kunnen worden gezien als de ruimte tussen de sporten van een ladder. Hoe groter de kloof, hoe moeilijker en langzamer het is om te klimmen. Als het gat te groot is, is het misschien niet eens mogelijk om omhoog te gaan. Met behulp van materialen die al geweldige geleidende eigenschappen hebben, was dit gespecialiseerde team van wetenschappers in staat om ze op een manier te stapelen die hun structuur benutte om paden te creëren die de lading efficiënter overbrengen. Een van de TMD's die het team heeft gemaakt, was molybdeendisulfide (MoS2), waarvan in eerdere studies werd aangetoond dat het een sterke fotoluminescentie heeft. Fotoluminescentie is het fenomeen dat bepaalde materialen laat oplichten in het donker nadat ze aan licht zijn blootgesteld. Wanneer een materiaal licht absorbeert met meer energie dan die energiebandgap, kan het licht uitzenden met fotonenergie die gelijk is aan de bandgap-energie. Als een tweede materiaal met een bandafstand van gelijke of lagere energie dichter bij het eerste materiaal komt, zo dicht als een subnanometer tot enkele nanometers, kan energie niet-stralend worden overgedragen van het eerste materiaal naar het tweede. Het tweede materiaal kan dan licht uitzenden met fotonenergie die gelijk is aan zijn energiebandgap. Met een isolerende tussenlaag gemaakt van hexagonaal boornitride (hBN), die elektronische geleidbaarheid voorkomt, hebben wetenschappers een ongebruikelijk soort energieoverdracht over lange afstand waargenomen tussen deze TMD en een gemaakt van wolfraamdiselenide (WSe2), die elektriciteit zeer efficiënt geleidt. Het energieoverdrachtsproces vond plaats van de materialen met een lagere naar hogere bandgap, wat niet typisch is in TMD-heterostructuren, waar de overdracht meestal plaatsvindt van de 2D-materialen met een hogere naar lagere bandgap. De dikte van de tussenlaag speelde een grote rol, maar bleek ook de verwachtingen te trotseren. "We waren verrast door het gedrag van dit materiaal", zei Al-Mahboob. "De interactie tussen de twee lagen neemt tot op zekere hoogte toe met de toename van de afstand, en begint dan af te nemen. Variabelen als afstand, temperatuur en hoek speelden een belangrijke rol.” Door beter te begrijpen hoe deze materialen op deze schaal energie absorberen en uitstralen, kunnen wetenschappers deze eigenschappen toepassen op nieuwe soorten technologieën en de huidige verbeteren. Dit kunnen zonnecellen zijn die licht effectiever absorberen en een betere lading vasthouden, fotosensoren met een hogere nauwkeurigheid en elektronische componenten die kunnen worden verkleind tot nog kleinere afmetingen voor compactere apparaten.
2D-materialen - Klein, maar krachtig
Overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) zijn een klasse van materialen die zijn gestructureerd als sandwiches met atomair dunne lagen. Het vlees van een TMD is een overgangsmetaal, dat chemische bindingen kan vormen met elektronen op hun buitenste baan of schaal, zoals de meeste elementen, evenals de volgende schaal. Dat metaal zit ingeklemd tussen twee lagen chalcogenen, een categorie elementen die zuurstof, zwavel en selenium bevat. Chalcogenen hebben allemaal zes elektronen in hun buitenste schil, waardoor hun chemische gedrag vergelijkbaar is. Elk van deze materiaallagen is slechts één atoom dik - een miljoenste van de dikte van een lok mensenhaar - waardoor ze worden aangeduid als tweedimensionale (2D) materialen. "Op atomair niveau krijg je deze unieke en afstembare elektronische eigenschappen te zien", zegt Abdullah Al-Mahboob, een Brookhaven-stafwetenschapper in de CFN Interface Science and Catalysis-groep. “TMD's zijn als een speeltuin van de natuurkunde. We verplaatsen energie van het ene materiaal naar het andere op atomair niveau.” Sommige nieuwe eigenschappen beginnen uit materialen op deze schaal te ontstaan. Grafeenis bijvoorbeeld de 2D-versie van grafiet, het materiaal waarvan de meeste potloden zijn gemaakt. In een Nobelprijswinnend experiment gebruikten wetenschappers een stuk plakband om vlokken van grafiet te trekken om een laag grafeen te bestuderen. De onderzoekers ontdekten dat grafeen ongelooflijk sterk is op atomair niveau - 200 keer sterker dan staal in verhouding tot zijn gewicht! Bovendien is grafeen een geweldige thermische en elektrische geleider en heeft het een uniek lichtabsorptiespectrum. Dit opende de deur naar het bestuderen van de 2D-vormen van andere materialen en hun eigenschappen. 2D-materialen zijn op zichzelf al interessant, maar wanneer ze worden gecombineerd, gebeuren er verrassende dingen. Elk materiaal heeft zijn eigen superkracht - materialen beschermen tegen de omgeving, de overdracht van energie regelen, licht in verschillende frequenties absorberen - en wanneer wetenschappers ze op elkaar gaan stapelen, creëren ze wat bekend staat als een heterostructuur. Deze heterostructuren zijn tot buitengewone dingen in staat en zouden op een dag kunnen worden geïntegreerd in toekomstige technologieën, zoals kleinere elektronische componenten en meer geavanceerde lichtdetectoren.QPress: een eerste experimenteel hulpmiddel in zijn soort
Hoewel de verkenning van deze materialen misschien is begonnen met zoiets eenvoudigs als een stuk plakband, zijn de tools die worden gebruikt om 2D-materialen te extraheren, isoleren, catalogiseren en bouwen behoorlijk geavanceerd geworden. Bij CFN is een heel systeem gewijd aan de studie van deze heterostructuren en de technieken die worden gebruikt om ze te creëren: de Quantum Material Press (QPress).
De QPress-faciliteit bij CFN. (Afbeelding: Brookhaven National Laboratory) "Het is moeilijk om de QPress met iets te vergelijken", zegt Suji Park, een stafwetenschapper van Brookhaven die gespecialiseerd is in elektronische materialen. “Het bouwt laag voor laag een structuur op, zoals een 3D-printer, maar 2D-heterostructuren worden op een heel andere manier gebouwd. De QPress creëert materiaallagen die een atoom of twee dik zijn, analyseert ze, catalogiseert ze en brengt ze ten slotte samen. Robotica wordt gebruikt om deze ultradunne lagen systematisch te fabriceren om nieuwe heterostructuren te creëren.” De QPress heeft drie op maat gemaakte modules: de exfoliator, cataloger en stapelaar. Om 2D-lagen te creëren, gebruiken wetenschappers de exfoliator. Vergelijkbaar met de handmatige plakbandtechniek, heeft de exfoliator een gemechaniseerde rolconstructie die dunne lagen van grotere bronkristallen exfolieert met bedieningselementen die een soort precisie bieden die niet met de hand kan worden bereikt. Eenmaal verzameld en verdeeld, worden de bronkristallen op een siliconenoxidewafel gedrukt en afgepeld. Ze worden vervolgens doorgegeven aan de catalogiseerder, een geautomatiseerde microscoop die verschillende optische karakteriseringstechnieken combineert. De catalogiseerder gebruikt machine learning (ML) om interesses te identificeren die vervolgens in een database worden gecatalogiseerd. Momenteel wordt ML getraind met alleen grafeengegevens, maar onderzoekers zullen verschillende soorten 2D-materialen blijven toevoegen. Wetenschappers kunnen deze database gebruiken om de materiaalvlokken te vinden die ze nodig hebben voor hun onderzoek.
Als de benodigde materialen beschikbaar zijn, kunnen wetenschappers de stapelaar gebruiken om er heterostructuren van te fabriceren. Met behulp van zeer nauwkeurige robotica nemen ze de monstervlokken en rangschikken ze in de gewenste volgorde, onder elke gewenste hoek, en brengen ze substraten over om de uiteindelijke heterostructuur te creëren, die voor later gebruik op lange termijn in een monsterbibliotheek kan worden opgeslagen. Het klimaat wordt gecontroleerd om de kwaliteit van de monsters te waarborgen en het fabricageproces, van afschilfering tot het bouwen van heterostructuren, wordt uitgevoerd in een omgeving met inert gas in een handschoenkast. De geëxfolieerde vlokken en de gestapelde monsters worden onder vacuüm opgeslagen in de monsterbibliotheken van het QPress-cluster. Bovendien zijn instrumenten voor elektronenstraalverdamping, annealing en zuurstofplasma beschikbaar in de vacuümzijde van het cluster. Robotica wordt gebruikt om monsters van het ene gebied van de QPress naar het volgende door te geven. Als deze nieuwe heterostructuren eenmaal zijn gefabriceerd, wat doen ze dan eigenlijk en hoe doen ze dat?
Nadat het team van CFN deze fascinerende nieuwe materialen met de QPress had vervaardigd, integreerden ze de materialen met een reeks geavanceerde microscopie- en spectroscopietools waarmee ze opto-elektronische eigenschappen konden onderzoeken zonder de monsters aan lucht bloot te stellen, wat materiaalstructuren zou aantasten. Sommige van de delicate, exotische kwantumeigenschappen op 2D-materialen hebben ultralage cryotemperaturen nodig om te worden gedetecteerd, tot slechts een paar kelvin. Anders raken ze verstoord door de minste hoeveelheid warmte of chemicaliën in de lucht.
Het werk van Al-Mahboob wordt gefinancierd door het DOE Quantum Materials: Integrated Multimodal Characterization and Processing (QM-IMCP) project dat CFN is gaan bouwen.
Betere structuren bouwen
Met behulp van de geavanceerde mogelijkheden van deze bronnen kon het team een gedetailleerder beeld krijgen van hoe energieoverdracht over lange afstanden werkt in TMD's.
Monsters van de overgangsmetaaldichalcogeniden. (Afbeelding: Brookhaven National Laboratory) Energie wil zich over materialen verplaatsen, zoals iemand een ladder wil beklimmen, maar het heeft een houvast nodig. Bandgaps kunnen worden gezien als de ruimte tussen de sporten van een ladder. Hoe groter de kloof, hoe moeilijker en langzamer het is om te klimmen. Als het gat te groot is, is het misschien niet eens mogelijk om omhoog te gaan. Met behulp van materialen die al geweldige geleidende eigenschappen hebben, was dit gespecialiseerde team van wetenschappers in staat om ze op een manier te stapelen die hun structuur benutte om paden te creëren die de lading efficiënter overbrengen. Een van de TMD's die het team heeft gemaakt, was molybdeendisulfide (MoS2), waarvan in eerdere studies werd aangetoond dat het een sterke fotoluminescentie heeft. Fotoluminescentie is het fenomeen dat bepaalde materialen laat oplichten in het donker nadat ze aan licht zijn blootgesteld. Wanneer een materiaal licht absorbeert met meer energie dan die energiebandgap, kan het licht uitzenden met fotonenergie die gelijk is aan de bandgap-energie. Als een tweede materiaal met een bandafstand van gelijke of lagere energie dichter bij het eerste materiaal komt, zo dicht als een subnanometer tot enkele nanometers, kan energie niet-stralend worden overgedragen van het eerste materiaal naar het tweede. Het tweede materiaal kan dan licht uitzenden met fotonenergie die gelijk is aan zijn energiebandgap. Met een isolerende tussenlaag gemaakt van hexagonaal boornitride (hBN), die elektronische geleidbaarheid voorkomt, hebben wetenschappers een ongebruikelijk soort energieoverdracht over lange afstand waargenomen tussen deze TMD en een gemaakt van wolfraamdiselenide (WSe2), die elektriciteit zeer efficiënt geleidt. Het energieoverdrachtsproces vond plaats van de materialen met een lagere naar hogere bandgap, wat niet typisch is in TMD-heterostructuren, waar de overdracht meestal plaatsvindt van de 2D-materialen met een hogere naar lagere bandgap. De dikte van de tussenlaag speelde een grote rol, maar bleek ook de verwachtingen te trotseren. "We waren verrast door het gedrag van dit materiaal", zei Al-Mahboob. "De interactie tussen de twee lagen neemt tot op zekere hoogte toe met de toename van de afstand, en begint dan af te nemen. Variabelen als afstand, temperatuur en hoek speelden een belangrijke rol.” Door beter te begrijpen hoe deze materialen op deze schaal energie absorberen en uitstralen, kunnen wetenschappers deze eigenschappen toepassen op nieuwe soorten technologieën en de huidige verbeteren. Dit kunnen zonnecellen zijn die licht effectiever absorberen en een betere lading vasthouden, fotosensoren met een hogere nauwkeurigheid en elektronische componenten die kunnen worden verkleind tot nog kleinere afmetingen voor compactere apparaten.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- ChartPrime. Verhoog uw handelsspel met ChartPrime. Toegang hier.
- BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63520.php
