Bahan dua dimensi dengan kekisi kristal pentagons diperoleh • Arkady Kuramshin • Berita Sains mengenai "Unsur" • Sains Bahan, Kimia

Bahan dua dimensi dengan kekisi kristal pentagons diperolehi.

Rajah. 1. Struktur kristalografi bahan terlipat dua dimensi adalah fosforus (a) dan paladium selenide (b). Gambar dari artikel dibincangkan diJacs

Penyelidik AS telah memperoleh satu bentuk dua dimensi paladium selenide, di mana atom paladium dan selenium membentuk corak pentagon. Struktur yang luar biasa seperti ini memberikan bahan elektronik yang menarik baru yang mirip dengan sifat-sifat semikonduktor dua dimensi yang tidak simetris, dan daya tahannya terhadap oksigen udara membolehkan kita berharap untuk kemungkinan aplikasi praktikalnya dalam elektronik dua dimensi.

Pada tahun 2004, sampel pertama graphene diperolehi, dan pada tahun 2010, Hadiah Nobel dalam Fizik dianugerahkan kepada kajian selanjutnya mengenai pengubahsuaian karbon allotropik dua dimensi ini, Andrei Heim dan Konstantin Novoselov. Sejak itu, kerja dalam bidang pengeluaran dan penyelidikan bahan-bahan kristal dua dimensi baru telah berkembang dengan sangat aktif. Perlu diingat bahawa dalam konteks kerja pada graphene dan "saudara "nya – fosforen, silika, dan lain-lain, istilah" bahan dua dimensi "," kristal dua dimensi "atau" bahan datar "mencerminkan fakta bahawa bahan-bahan ini terdiri daripada atom monolayer dipisahkan dari kristal tiga dimensi.Oleh itu, "dua dimensi" atau "rata" bermakna ketebalan bahan dua dimensi adalah lebih kecil daripada dimensi mereka dalam pesawat, tetapi monolayer itu sendiri tidak semestinya "rata": fosfor, misalnya, dicirikan oleh struktur bergelombang yang dilipat, di mana beberapa atom adalah di atas satah bersyarat, dan sebahagiannya lebih rendah (Rajah 1).

Mod untuk bahan dua dimensi dijelaskan oleh fakta bahawa lapisan 2D yang diperoleh dari bahan mudah dan sebatian sering mempunyai sifat yang tidak tipikal dari bahan yang menghasilkannya. Oleh itu, graphene menarik saintis terutamanya disebabkan oleh kekonduksiannya yang tinggi dan kadar pemindahan caj yang tinggi, yang menjadikannya konduktor ideal untuk peranti elektronik dua dimensi. Walau bagaimanapun, untuk mewujudkan alat elektronik seperti itu, sebagai tambahan kepada konduktor, kedua-dua semikonduktor dan penebat diperlukan – iaitu, bahan yang dicirikan oleh kehadiran zon terlarang. Lebar jurang band sepadan dengan tenaga minimum (dinyatakan dalam eV) yang diperlukan untuk memindahkan elektron dari keadaan terikat ke keadaan bebas, di mana ia boleh mengambil bahagian dalam konduksi.

Konduktor mempunyai zon terlarang: mereka segera memiliki pembawa caj.Sekiranya jurang band bahan lebih daripada 4-5 eV, adalah mustahil untuk mendapatkan pembawa caj di dalamnya, dan bahan tersebut dirujuk sebagai dielektrik. Untuk semikonduktor, yang diperlukan untuk mencipta elemen logik elektronik – diod dan transistor, jurang band biasanya 0.1-2 eV, dan jurang band yang lebih luas bagi perubahan semikonduktor, sebagai peraturan, untuk litar logik yang lebih berbeza. dan peranti yang mungkin dikenakan.

Anda boleh menukar jurang band semikonduktor dengan cara yang berbeza. Oleh itu, dalam semikonduktor, yang digunakan dalam bentuk kristal, bahan tambahan doping biasanya diperkenalkan, yang meningkatkan jumlah pembawa caj – elektron atau lubang, dan dalam semikonduktor berlapis dalam beberapa keadaan, mungkin untuk mengurangkan bilangan lapisan. Sehingga kini, bahan di mana jurang band disebabkan oleh perubahan bilangan lapisan boleh berubah mengikut had terluas adalah fosforus hitam: dari 0.3 eV dalam kristal menjadi 1.5 eV dalam pengubahsuaian dua dimensi – fosforus. Harta ini telah digunakan untuk mendapatkan prototaip bekerja pertama dari transistor kesan medan dari Fosforus (L.Li et al., 2014. Transistor kesan medan fosfor hitam).

Untuk membuat peranti elektronik yang stabil, rintangan bahan untuk tindakan oksigen dan kelembapan di udara tidak kurang penting daripada jurang band bahan, tetapi untuk bahan stabil dua-dimensi semikonduktor yang paling menjanjikan dan yang paling menjanjikan – molibdenum disulfida dua dimensi (2D-MoS2) – jurang band berada di antara ~1.2 eV, (kristal tiga dimensi) dan 1.9 eV (kristal dua dimensi). Sekarang bahan ini mempunyai pesaing yang serius – paladium selenide (PdSe2).

Penyelidik dari kumpulan Kai Xiao (Kai Xiao) dari Makmal Kebangsaan Oak Ridge (Tennessee, Amerika Syarikat) mula-mula memperoleh kristal selenida PdSe palladium2. Untuk melakukan ini, mereka perlahan-lahan dipanen palladium dan selenium, diambil dalam nisbah satu hingga enam, sehingga 850 ° C, disimpan pada suhu ini selama 50 jam, kemudian disejukkan kepada 450 ° C pada kelajuan 3 ° C / jam dan akhirnya perlahan-lahan didinginkan pada suhu bilik. suhu Para penulis tidak menerangkan bagaimana mereka menghasilkan algoritma semacam itu untuk berkembangnya kristal. Oleh itu, plat kristal tebal 4 mm diperolehi. Daripada mereka menggunakan pengelupasan mikromekanikal (kaedah pemisahan lapisan demi lapisan kristal yang menggunakan pita pelekat, sama denganyang digunakan untuk mendapatkan graphene) telah memisahkan serpihan dua dimensi paladium selenide, yang dipindahkan ke substrat silikon dioksida dan dikaji menggunakan mikroskop elektron (Rajah 2).

Rajah. 2 Keputusan tinjauan teratas (a, c) dan berbaring di bawahnya (b, d) lapisan kristal diselenida kristal menggunakan mikroskop elektron penghantaran imbasan (baris atas) dan imej simulasi yang sepadanbaris bawah). Bola pada imej c dan d Susunan atom diperlihatkan: kuning ditandakan selenium, khaki – Atom paladium (dalam imej d titik merah menunjukkan bahawa atom paladium berada di atas satah selenium atom). Gambar dari artikel dibincangkan di Jacs

Pengaturan pentagon yang luar biasa atom dalam bahan telah terbukti menggunakan mikroskop elektron penghantaran pengimbasan resolusi atom. Untuk ini, kami mengkaji kedua-dua "dikupas" dari serpihan monolayer kristal pelepasan palladium dan kristal PdSe.2 (walaupun terdiri daripada sejumlah kecil lapisan, Rajah 2), membandingkan data percubaan dengan hasil mikroskopi elektron penghantaran simulasi.Ternyata di dalam unjuran di atas pesawat kristal, ikatan di antara atom membentuk mozaik pentagon Kaherah (Rajah 3, lihat pagai Kaherah pentagonal)

Rajah. 3 Pandangan atas dan pandangan sisi struktur kristal palladium selenide PdSe2. Crystal dimensi dua dimensi palladium dibezakan oleh struktur bergelombang yang dilipat. Atom palladium ditetapkan bola kelabu, atom selenium – kuning. Dataran bertitik menunjuk kepada sempadan sel unit. Ketinggian lipat menegak δ adalah sekitar 1.6 Å. Gambar dari artikel dibincangkan di Jacs

Pada masa ini 2D-PdSe2 adalah bahan buatan pertama dan satu-satunya di mana unsur-unsur konstituen terletak di puncak pentagon. Sebelum ini, berdasarkan hasil pengiraan teori, ia diramalkan bahawa hanya sebilangan kecil bahan "pentagonal" 2D boleh wujud, terutamanya SnX dichalcogenides.2 (X = S, Se atau Te), yang mana berdasarkan pengiraan teori yang sama, sifat dielektrik dijangka ditunjukkan (Y. Ma et al., 2016). telaga).

PdSe Palladium Selenide dua dimensi2 mempamerkan sifat semikonduktor. Para penyelidik dari kumpulan Xiao mengukur lebar zon terlarang pelbagai bentuknya, menggabungkan hasil eksperimen,diperolehi menggunakan spektroskopi optik, dan data pengiraan kuantum-kimia yang dijalankan menggunakan teori fungsi kepadatan. Telah didapati bahawa dalam bentuk kristal, jurang band adalah 0 eV, dan dalam lapisan dua dimensi PdSe2 ia adalah 1.3 eV. Ternyata mungkin untuk mengubah lebar zon terlarang dengan mengubah jumlah lapisan (yaitu, dengan cara yang sama seperti dalam fosfor hitam). Ini membuka bkira-kiraKemungkinan untuk mengkonfigurasi sifat-sifat komponen elektronik dari PdSe2 berbanding MoS2. Jurang band PdSe dua dimensi2 dekat dengan nilai parameter ini dalam semikonduktor klasik (untuk germanium dan silikon, tenaga ini ialah 0.72 eV dan 1.12 eV, masing-masing), yang, dalam jangka masa panjang, boleh menjadikannya berguna untuk mewujudkan peranti logik yang agak mudah serasi dengan semikonduktor silikon dan germanium .

Ia juga penting bahawa pemeluwapan palladium dua dimensi stabil di udara pada suhu bilik – ini meningkatkan kemungkinan kegunaannya dalam amalan. Tetapi akhirnya segala-galanya bergantung kepada sama ada ia akan mungkin untuk membangunkan satu kaedah untuk sintesis berskala bahan ini, kerana pengelupasan mikromekanikal tidak membenarkan mendapatkan jumlah besar bahan dua dimensi.

Sumber: Akinola D. Oyedele, Shize Yang, Liangbo Liang, Alexander A.Puretzky, Kai Wang, Jingjie Zhang, Peng Yu, Pushpa R. Pudasaini, Avik W. Ghosh, Zheng Liu, Christopher M. Rouleau, Bobby G. Sumpter, Matthew F. Chisholm, Wu Zhou, Philip D. Rack, David B. Geohegan, dan Kai Xiao. Pdse2: Lapisan Dua Dimensi pentagonal dengan Kestabilan Udara Tinggi untuk Elektronik // Jacs. 2017. DOI: 10.1021 / jacs.7b04865.

Arkady Kuramshin


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: