Studie detailliert, warum die 2D-Molybdändisulfidbildung durch Salz beschleunigt wird

In einer Zeile vorzuspringen ist unhöflich, aber manchmal ist es akzeptabel. Vor allem für Salz.

Der Materialtheoretiker der Rice University, Boris Yakobson, zeigt in seiner Folgestudie zu einer Studie aus dem Jahr 2018, die zeigte, wie Salz die Bildung von wertvollem 2D-Molybdändisulfid (MoS2) vereinfacht, mit einer First-Principle-Analyse des Prozesses, die ihn noch weiter verfeinern könnte .

Die theoretische Studie von Yakobson und seinen Kollegen Jincheng Lei, Yu Xie und Alex Kutana, alle Absolventen seines Labors, und der Forscherin Ksenia Bets zeigen durch die Simulation von Energien auf Atomebene, warum Salz – insbesondere jodiertes Salz – die Reaktionstemperatur in einem chemischen Dampf senkt Abscheidungsofen (CVD), der zur Bildung von MoS2 erforderlich ist.

Dies geschieht, indem es dazu beiträgt, einige Schritte zu überspringen und hohe Energiebarrieren beim konventionellen CVD-Wachstum zu überspringen, um weit mehr MoS6, einen wesentlichen Vorläufer von 2D-MoS2, zu ergeben.

Ihr Studium in der Zeitschrift der American Chemical Society konzentrierte sich darauf, wie Salz die Aktivierungsbarrieren senkt, um die Schwefelung von Molybdänoxyhalogeniden, dem Gaseinsatzmaterial bei der MoS2-Kristallisation, zu verbessern.

MoS2 ist eine natürliche Verbindung, die in Massenform als Molybdänit bekannt ist und in 2D-Form wegen ihrer halbleitenden Eigenschaften sehr begehrt ist, die Fortschritte in elektronischen, optoelektronischen, spintronischen, katalytischen und medizinischen Anwendungen versprechen. Aber 2D-MoS2 bleibt schwer in kommerziellen Mengen herzustellen.

Das Rice-Team trat zum ersten Mal in den Kampf ein, als Labore in Singapur, China, Japan und Taiwan Salz verwendeten, um eine „Bibliothek“ von 2D-Materialien herzustellen, die Übergangsmetalle und Chalkogene kombinierten. Warum es so gut funktionierte, war ein Rätsel, was sie dazu veranlasste, das Fachwissen des Yakobson-Labors in Bezug auf Modellierungsmaterialien – auch nur theoretische – von Grund auf in Anspruch zu nehmen.

Ihre umfassenden Modelle zeigen, dass die internationalen Labore zwar Chloridsalze zur Erstellung ihrer Materialbibliothek verwendeten, die Jodidsalze, die üblicherweise auf Küchentischen zu finden sind, die Synthese von MoS2 jedoch besser beschleunigen.

„Eine schnelle und großtechnische Synthese ist für die weit verbreitete Anwendung von MoS2 unerlässlich“, sagte Lei. „Wir haben den gesamten Wachstumsprozess sorgfältig untersucht, in der Hoffnung, ihn so weit wie möglich zu optimieren.

Dies geschieht, wenn Salz und der Vorläufer ein Eutektikum bilden, eine Mischung von Substanzen, die bei einer einzigen Temperatur schmelzen und erstarren, die niedriger ist als die Schmelzpunkte der Bestandteile.

„Nachdem gezeigt wurde, dass die salzgestützte Synthese das Wachstum von viel mehr TMD (Übergangsmetall-Dichalkogenid)-Verbindungen ermöglicht als zuvor und deutlich verbesserte Wachstumsbedingungen für zuvor synthetisierte, wurde klar, dass dieses Verfahren etwas Besonderes ist“, so Bets genannt.

„Einige experimentelle Gruppen versuchten, weitere Untersuchungen durchzuführen, aber die Überwachung der molekularen Zusammensetzung der Gasphase unter Wachstumsbedingungen ist keine einfache Aufgabe“, sagte sie. „Selbst dann kann man nicht das ganze Bild sehen.

„Wir haben Jinchengs Arbeit zum Mechanismus des konventionellen MoS2-Wachstums sehr gründlich weiterverfolgt. Wir haben alle Teile des Prozesses simuliert, von der Schwefelung bis zum 2D-Kristallwachstum. Dieser umfassende Ansatz hat sich ausgezahlt.“

In Simulationen beobachtete das Rice-Team direkt den gesamten Sulfurierungsprozess, während Sauerstoff- und Chloratome unter CVD-Bedingungen allmählich durch Schwefel in MoO2Cl2, einem üblichen Vorläufer, ersetzt wurden.

Das Labor sagte, dass der eutektische Effekt ein häufiges Phänomen bei der CVD-Synthese von 2D-Dichalkogenid-Monoschichten sein könnte und daher eine weitere Untersuchung wert ist.