2D晶体合成中的实验室同行

从长远来看,描述最基本过程的科学研究通常会产生最大的影响。莱斯大学工程师的一项新工作可能就是这样,它是一种用于纳米材料的气体、气体、气体。

水稻材料理论家鲍里斯·雅科布森、研究生雷金成和莱斯布朗工程学院的校友谢宇揭示了一种流行的二维材料二硫化钼(MoS 2 ) 如何在化学气相沉积(CVD)过程中闪现。

了解该过程的工作原理将为科学家和工程师提供一种方法来优化 MoS 2和其他被归类为过渡金属二硫属元素化物 (TMD) 的有价值材料的批量制造,这些材料是在下一代电子产品中安家的好赌注。

他们在化学学会期刊ACS Nano 上的研究重点关注 MoS 2的“史前”,特别是一旦所有固体成分都到位后在 CVD 炉中会发生什么。CVD 通常与石墨烯和碳纳米管相关,通过提供升华成气体并发生反应的固体前体和催化剂,已被用于制造各种二维材料。化学反应决定了哪些分子会从气体中脱落并沉淀在基材(如铜或硅树脂)上,然后组装成二维晶体。

问题是一旦炉子启动,就不可能实时看到或测量化学炖菜中复杂的反应链。

“数百个实验室正在烹饪这些 TMD,完全没有注意到暗炉中发生的复杂转变,”Karl F. Hasselmann 材料科学和纳米工程教授兼化学教授 Yakobson 说。“在这里,我们正在使用量子化学模拟和分析来揭示黑暗中导致合成的东西。”

Yakobson 的理论经常引导实验主义者使他的预测成真。(例如,硼巴基球。)这一次,莱斯实验室确定了氧化钼 (MoO 3 ) 和硫粉在表面上沉积原子级薄晶格的路径。

简短的回答是它需要三个步骤。首先,固体通过加热升华,将它们从固体变为气体,包括 Yakobson 所说的“美丽的”环状分子,九氧化三钼 (Mo 3 O 9 )。其次,含钼气体在高达 4,040 华氏度的高温下与硫原子发生反应。第三,钼和硫分子落到表面,在那里它们结晶成千斤顶状的晶格,这是 TMD 的特征。

研究人员最感兴趣的是中间步骤中发生的事情。实验室的模拟表明,三种主要的气相反应物是制造 MoS 2的主要嫌疑人: 硫,在硫存在下形成的环状 Mo 3 O 9分子和随后形成晶体的 MoS 6混合物,释放过量过程中的硫原子。

Lei 表示,分子动力学模拟显示了推动该过程必须克服的激活障碍,通常以皮秒为单位。

“在我们的分子动力学模拟中,我们发现这个环是通过与硫相互作用而打开的,硫会攻击连接到钼原子的氧,”他说。“环变成了一条链,与硫分子的进一步相互作用将这条链分成硫化钼单体。最重要的部分是链断裂,它克服了最高的能垒。”

Lei 说,这种认识可以帮助实验室简化流程。“如果我们能找到只有一个钼原子的前体分子,我们就不需要克服断裂链的高障碍,”他说。

Yakobson 说这项研究可以适用于其他 TMD。

他说:“这些发现常常使经验纳米工程成为一项以科学为导向的基本努力,可以预测和优化过程,”他指出,虽然自 90 年代初发现 TMD 富勒烯以来,化学反应已广为人知,但理解这些细节将进一步推动二维合成的发展。

“只有现在我们才能‘排序’所涉及的逐步化学反应,”Yakobson 说。“这将使我们能够提高二维材料的质量,并了解哪些气体副产品可能有用并在途中被捕获,为化学工程开辟了机会。”

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