Les études scientifiques décrivant les processus les plus élémentaires ont souvent le plus grand impact à long terme. Un nouveau travail des ingénieurs de l’Université Rice pourrait en être un, et c’est un gaz, un gaz, un gaz pour les nanomatériaux.
Théoricien des matériaux de riz Boris Yakobson, l’étudiant diplômé Jincheng Lei et l’ancien élève Yu Xie de Rice’s École d’ingénierie brune, a dévoilé comment un matériau 2D populaire, bisulfure de molybdène (MoS2), clignote dans l’existence pendant dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
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Connaître le fonctionnement du processus donnera aux scientifiques et aux ingénieurs un moyen d’optimiser la fabrication en vrac de MoS2 et d’autres matériaux de valeur classés comme dichalcogénures de métaux de transition (TMD), des cristaux semi-conducteurs qui sont de bons paris pour trouver leur place dans l’électronique de nouvelle génération.
Leur étude dans la revue ACS Nano de l’American Chemical Society se concentre sur la « préhistoire » du MoS2, en particulier sur ce qui se passe dans un four CVD une fois que tous les ingrédients solides sont en place. Le CVD, souvent associé au graphène et aux nanotubes de carbone, a été exploité pour fabriquer une variété de matériaux 2D en fournissant des précurseurs solides et des catalyseurs qui se subliment en gaz et réagissent. La chimie dicte quelles molécules tombent du gaz, se déposent sur un substrat, comme le cuivre ou le silicone, et s’assemblent en un cristal 2D.
Le problème est qu’une fois que le four démarre, il est impossible de voir ou de mesurer la chaîne compliquée de réactions dans le ragoût chimique en temps réel.
Trois molécules en phase gazeuse réagissent à des températures élevées lors du dépôt chimique en phase vapeur pour former du bisulfure de molybdène, un semi-conducteur bidimensionnel qui pourrait être utilisé dans l’électronique de nouvelle génération. Dans cette illustration, les atomes de molybdène sont violets, l’oxygène est rouge et le soufre est jaune. Illustration de Jincheng Lei, Université Rice
« Des centaines de laboratoires préparent ces TMD, tout à fait inconscients des transformations complexes qui se produisent dans le four sombre », a déclaré Yakobson, professeur Karl F. Hasselmann de science des matériaux et de nanoingénierie et professeur de chimie. « Ici, nous utilisons des simulations et des analyses de chimie quantique pour révéler ce qui, dans l’obscurité, mène à la synthèse. »
Les théories de Yakobson conduisent souvent les expérimentateurs à réaliser ses prédictions. (Par example, buckyballs de bore.) Cette fois, le laboratoire Rice a déterminé le chemin emprunté par l’oxyde de molybdène (MoO3) et la poudre de soufre pour déposer un réseau atomiquement mince sur une surface.
La réponse courte est qu’il faut trois étapes. Premièrement, les solides sont sublimé par chauffage pour les transformer de solide en gaz, y compris ce que Yakobson a appelé une « belle » molécule en anneau, le nonaoxyde de trimolybdène (Mo3O9). Deuxièmement, les gaz contenant du molybdène réagissent avec les atomes de soufre à haute température, jusqu’à 4 040 degrés Fahrenheit. Troisièmement, les molécules de molybdène et de soufre tombent à la surface, se cristallisant dans le prises-aimer treillis caractéristique des TMD.
Ce qui se passe à mi-parcours était le plus intéressant pour les chercheurs. Les simulations du laboratoire ont montré qu’un trio de principaux réactifs en phase gazeuse sont les principaux suspects dans la fabrication du MoS2 : le soufre, les molécules de Mo3O9 en forme d’anneau qui se forment en présence de soufre et l’hybride ultérieur de MoS6 qui forme le cristal, libérant des atomes de soufre en excès dans le traiter.
Lei a déclaré que les simulations de dynamique moléculaire ont montré les barrières d’activation qui doivent être surmontées pour faire avancer le processus, généralement en picosecondes.
« Dans notre simulation de dynamique moléculaire, nous constatons que cet anneau est ouvert par son interaction avec le soufre, qui attaque l’oxygène connecté aux atomes de molybdène », a-t-il déclaré. « L’anneau devient une chaîne, et d’autres interactions avec les molécules de soufre séparent cette chaîne en monomères de sulfure de molybdène. La partie la plus importante est la rupture de chaîne, qui surmonte la barrière énergétique la plus élevée.
Cette prise de conscience pourrait aider les laboratoires à rationaliser le processus, a déclaré Lei. « Si nous pouvons trouver des molécules précurseurs avec un seul atome de molybdène, nous n’aurions pas besoin de surmonter la barrière élevée de la rupture de la chaîne », a-t-il déclaré.
Yakobson a déclaré que l’étude pourrait s’appliquer à d’autres TMD.
« Les résultats amènent souvent la nano-ingénierie empirique à devenir une entreprise guidée par la science fondamentale, où les processus peuvent être prédits et optimisés », a-t-il déclaré, notant que si la chimie est généralement connue depuis le découverte des fullerènes TMD au début des années 90, la compréhension des spécificités favorisera le développement de la synthèse 2D.
« Ce n’est que maintenant que nous pouvons » séquencer » la chimie étape par étape impliquée « , a déclaré Yakobson. « Cela nous permettra d’améliorer la qualité du matériau 2D, et également de voir quels produits secondaires du gaz pourraient être utiles et capturés en cours de route, ouvrant des opportunités pour le génie chimique. »
La source: Université du riz
