Ein Forscherteam hat eine neue Methode zum Exfolieren von MoS2-Flocken entwickelt, die sehr große und sehr dünne Flocken mit hoher Ausbeute produziert. Das mikrowellenunterstützte Peeling ergibt 50-mal mehr Flocken als das durch Ultraschall erzielte und ergibt eine Materialqualität, die mit einem mechanischen Peeling vergleichbar ist. Dieser schnelle Prozess erfordert nur minimale Verarbeitung und verspricht, neue Anwendungen in elektronischen und photonischen Geräten zu ermöglichen.
MoS2 ist ein Übergangsmetall-Dichalcogenid, ein Material, das auf dem Gebiet der Elektronik wegen seines breiten Spektrums an physikalischen Eigenschaften interessant ist, von halbmetallisch bis zu Halbleitern, Supraleitern oder Isolatoren, je nach Abmessungen. Die Anzahl der gestapelten Schichten ist entscheidend für die Bestimmung dieser Eigenschaften. MoS2 in einer Monoschicht weist beispielsweise eine direkte Bandlücke von 1,90 eV auf, während massives 2H-MoS2 eine indirekte Bandlücke von 1,23 eV aufweist. Diese anpassbaren Eigenschaften machen sie zu idealen Kandidaten für Anwendungen. Die Gewinnung großflächiger, hochwertiger MoS2-Flocken hat sich jedoch als schwierig erwiesen.
Vorhandene Flüssigphasen-Exfoliationsverfahren weisen geringe Ausbeuten auf und führen häufig zu breiten Dickenverteilungen, was es schwierig macht, Monoschicht- und Wenigschicht-2H-MoS2 zu erhalten. In einem Versuch, die Ausbeuten zu verbessern, haben Forscher andere Techniken untersucht, darunter Kugelmahlen, elektrochemisches Peeling und Fluiddynamik-Peeling. Diese Verfahren haben jedoch Skalierbarkeitsprobleme oder produzieren metallisches 1T-MoS2, das andere Eigenschaften und Anwendungen hat.
Das Team unter der Leitung der Professoren Víctor Sebastián und Jesús Santamaría vom Institute of Nanoscience and Materials in Zaragoza (INMA, CSIC-UNIZAR) und Professor Emilio M. Pérez vom Madrid Institute of Advanced Studies in Nanoscience (IMDEA Nanociencia), beide in Spanien, haben eine neuartige mikrowellenunterstützte Methode zum Peeling von MoS2-Flocken getestet. Sie fanden heraus, dass das Verfahren gut abgeblättertes Material mit Seitenabmessungen erzeugt, die mit denen vergleichbar sind, die durch mechanische Abblätterung erhalten werden. Die Ausbeute des Prozesses ist etwa 50-mal höher als bei Ultraschall-Peeling-Methoden. Es ergibt sich eine dem mechanischen Peeling vergleichbare Materialqualität, deren Flocken den nach diesem Verfahren erhaltenen ähnlich sind, jedoch mit einer unvergleichlich höheren Ausbeute (mechanisches Peeling wird tatsächlich Flocke für Flocke durchgeführt). Der Vorgang ist schnell, dauert nur wenige Minuten und erfordert nur minimale Verarbeitung.
Diese Methode nutzt das Beste aus beiden Welten (mechanisches und Flüssigphasen-Peeling) und verbessert die Ergebnisse in jedem Fall in Bezug auf Dicke, laterale Größe, Ausbeute und Verarbeitungszeit. Die Methode der Forscher stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der MoS2-Abblätterung dar und bietet einen ergiebigen, schnellen und mikrowellenunterstützten Prozess, der gut abgeblätterte, wenig geschichtete MoS2-Flocken produziert. Die Methode hat das Potenzial, neue Anwendungen von MoS2 in elektronischen und photonischen Geräten zu ermöglichen. Es wurde auf MoS2 angewendet, aber es könnte verwendet werden, um jedes Material mit hohen Mikrowellenabsorptionsfähigkeiten zu exfolieren, was ein vielseitiger Ansatz im Bereich der aufkommenden zweidimensionalen (2D) Materialien ist. Die Forscher planen, die Methode weiter zu untersuchen und ihre Skalierbarkeit und potenziellen Anwendungen genauer zu untersuchen.
Die Professoren Sebastián und Pérez sagen, dass das Aufregendste an Ihren Ergebnissen „…die laterale Größe der Flocken ist. 2D-Materialien müssen natürlich sehr dünn sein, und das ist der springende Punkt bei Exfoliationsmethoden, aber das ist es oft Ich habe übersehen, dass Sie für die meisten Anwendungen auch eine große seitliche Größe wünschen, aber große und gleichzeitig dünne Flocken mit hoher Ausbeute zu erhalten, ist nicht einfach, da alle Peeling-Methoden auf das Hinzufügen hinauslaufen irgendeine Form von Energie an das Schüttgut, um die Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen den Schichten zu überwinden. Und es ist schwierig zu verhindern, dass dieselbe Energie gleichzeitig seitliche Schäden verursacht. Unser Verfahren schafft es, Mikrowellen zu verwenden, um Lösungsmittelmoleküle zwischen den Schichten zu verdampfen, wodurch es entsteht sehr schnell einen hohen Druck zwischen ihnen, so dass sie getrennt werden können, aber nicht beschädigt werden.“
Auf die Frage nach den möglichen realen Anwendungen der Methode antworten die Forscher: „2D-Materialien im Allgemeinen und Übergangsmetalldichalkogenide im Besonderen sind vielversprechend für viele Technologien (Sensoren, Elektronik usw.), aber offensichtlich fängt alles an mit der Herstellung dieser Materialien in guter Qualität, idealerweise in großen Mengen und kostengünstig. Hier kann unsere Arbeit einen Beitrag leisten. Es ist kein Schritt in Richtung einer neuen spezifischen Technologie, sondern vielmehr ein Werkzeug, um all die Hoffnungen zu unterstützen, die auf 2D-Materialien gesetzt werden eine Wirklichkeit.“
Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht ACS-Nano.
Mehr Informationen:
Ramiro Quirós-Ovies et al, Microwave-Driven Exfoliation of Bulk 2H-MoS2 after Acetonitril Prewetting Produces Large-Area Ultrathin Flakes with Exceptionally High Yield, ACS-Nano (2023). DOI: 10.1021/acsnano.3c00280