Рисовая лаборатория физика-теоретика Бориса Якобсона и его коллеги из Окриджской национальной лаборатории объединяют теорию и эксперименты, чтобы доказать, что можно создать двумерные материалы конкретных дефектов, особенно швов атомного масштаба, называемых границами зерен. Эти границы могут использоваться для улучшения электронных, магнитных, механических, каталитических и оптических свойств материалов.
Ключевым моментом является создание кривизны ландшафта, которая ограничивает распространение дефектов. Исследователи называют это «топологией границы зерен с наклоном», и они достигают этого, выращивая свои материалы на топографически изогнутой подложке — в данном случае конусе.
Угол конуса определяет, будут ли границы отображаться, какого типа и где.Это исследование является предметом статьи в журнале ACS Nano Американского химического общества.Границы зерен — это границы, которые появляются в материале в местах несовпадения краев. Эти границы представляют собой серию дефектов; например, когда два листа гексагонального графена встречаются под углом, атомы углерода компенсируют это, образуя негексагональные (пяти- или семичленные) кольца.
Якобсон и его команда уже продемонстрировали, что эти границы могут иметь электронное значение. Они могут, например, превратить идеально проводящий графен в полупроводник.
В некоторых случаях граница сама по себе может быть проводящей проволокой субнаноразмерного масштаба или приобретать магнитные свойства.Но до сих пор исследователи мало контролировали, где эти границы появятся при выращивании графена, дисульфида молибдена или других двумерных материалов путем химического осаждения из паровой фазы.
Теория, разработанная в Райсе, показала, что рост двумерного материала на конусе заставит границы появиться в определенных местах. По словам Якобсона, ширина конуса контролирует размещение и, что более важно, угол наклона, что является важным параметром в настройке электронных и магнитных свойств материалов.Экспериментальные сотрудники из Ок-Риджа во главе с соавтором Дэвидом Геохеганом предоставили доказательства, подтверждающие ключевые аспекты теории.
Они достигли этого, выращивая дисульфид вольфрама на небольших конусах, подобных тем, что используются в компьютерных моделях Райса. Границы, которые появились в реальных материалах, совпали с предсказанными теорией.
«Непланарная форма подложки заставляет двумерный кристалл расти в искривленном« неевклидовом »пространстве», — сказал Якобсон. «Это деформирует кристалл, который иногда уступает место швам или границам зерен. Это ничем не отличается от того, как портной добавляет шов к костюму или платью, чтобы он соответствовал фигуристым покупателям».Моделирование конусов разной ширины также выявило «магический конус» в 38,9 градусов, на котором при выращивании двухмерного материала границы зерен вообще не оставались бы.Команда Райса расширила свою теорию, чтобы увидеть, что произойдет, если конусы сядут на самолет.
Они предсказали, как границы зерен будут формироваться по всей поверхности, и снова эксперименты в Окридже подтвердили их результаты.Якобсон сказал, что обе команды Райс и Ок-Ридж работали над аспектами исследования независимо. «Это шло медленно, пока мы не встретились на конференции во Флориде пару лет назад и не поняли, что должны продолжать вместе», — сказал он. «Было, безусловно, приятно видеть, как эксперименты подтвердили модели, хотя иногда и преподносили важные сюрпризы.
Теперь нам нужно проделать дополнительную работу, чтобы понять их».