Une étude explique pourquoi la formation de disulfure de molybdène 2D est accélérée par le sel

Sauter en avant dans une ligne est impoli, mais parfois c’est acceptable. Surtout pour le sel.

Le théoricien des matériaux du laboratoire de l’Université Rice, Boris Yakobson, montre pourquoi dans son suivi d’une étude de 2018 qui a démontré comment le sel simplifie la formation de disulfure de molybdène 2D précieux (MoS2) avec une analyse des premiers principes du processus qui pourrait l’affiner encore plus .

L’étude théorique de Yakobson et de ses collègues Jincheng Lei, Yu Xie et Alex Kutana, tous anciens élèves de son laboratoire, et la chercheuse Ksenia Bets montre à travers la simulation des énergies au niveau de l’atome pourquoi le sel, en particulier le sel iodé, abaisse la température de réaction dans une vapeur chimique. four de dépôt (CVD) nécessaire pour former MoS2.

Pour ce faire, il aide à sauter certaines étapes et à franchir les barrières énergétiques élevées dans la croissance CVD conventionnelle pour produire beaucoup plus de MoS6, un précurseur essentiel du MoS2 2D.

Leur étude dans le Journal de l’American Chemical Society s’est concentré sur la façon dont le sel abaisse les barrières d’activation pour améliorer la sulfuration des oxyhalogénures de molybdène, la matière première gazeuse dans la cristallisation du MoS2.

MoS2 est un composé naturel connu sous forme massive sous le nom de molybdénite, et sous forme 2D est très convoité pour ses propriétés semi-conductrices, qui promettent des avancées dans les applications électroniques, optoélectroniques, spintroniques, catalytiques et médicales. Mais le MoS2 2D reste difficile à fabriquer en quantités commerciales.

L’équipe Rice est entrée pour la première fois dans la mêlée lorsque des laboratoires à Singapour, en Chine, au Japon et à Taïwan ont utilisé du sel pour créer une « bibliothèque » de matériaux 2D combinant des métaux de transition et des chalcogènes. La raison pour laquelle cela fonctionnait si bien était un mystère, ce qui les a incités à faire appel à l’expertise du laboratoire Yakobson dans la modélisation de matériaux, même uniquement théoriques, à partir de zéro.

Leurs modèles complets montrent que si les laboratoires internationaux utilisaient des sels de chlorure pour fabriquer leur bibliothèque de matériaux, les sels d’iodure que l’on trouve couramment sur les tables de cuisine sont plus efficaces pour accélérer la synthèse de MoS2.

« Une synthèse rapide et à grande échelle est impérative pour l’application généralisée de MoS2 », a déclaré Lei. « Nous avons soigneusement étudié l’ensemble du processus de croissance, dans l’espoir de l’optimiser autant que possible. Il s’est avéré qu’en changeant simplement le chlorure en iodure, on pouvait synthétiser MoS2 beaucoup plus rapidement à des températures de croissance encore plus basses. »

Cela se produit lorsque le sel et le précurseur forment un eutectique, un mélange de substances qui fondent et se solidifient à une seule température inférieure aux points de fusion des constituants.

« Après qu’il a été démontré que la synthèse assistée par le sel permettait la croissance de beaucoup plus de composés TMD (dichalcogénure de métal de transition) qu’il n’était possible auparavant et améliorait considérablement les conditions de croissance des composés précédemment synthétisés, il est devenu clair qu’il y a quelque chose de spécial dans ce processus », Bets mentionné.

« Certains groupes expérimentaux ont tenté d’approfondir leurs recherches, mais la surveillance de la composition moléculaire de la phase gazeuse dans des conditions de croissance n’est pas une tâche simple », a-t-elle déclaré. « Même alors, vous ne pouvez pas voir l’image entière.

« Nous avons été très minutieux, en suivant les travaux de Jincheng sur le mécanisme de croissance conventionnelle du MoS2. Nous avons simulé toutes les parties du processus, de la sulfuration à la croissance cristalline 2D. Cette approche globale a porté ses fruits. »

Dans les simulations, l’équipe Rice a observé directement l’ensemble du processus de sulfuration alors que les atomes d’oxygène et de chlore étaient progressivement remplacés par du soufre dans MoO2Cl2, un précurseur commun, dans des conditions CVD.

Le laboratoire a déclaré que l’effet eutectique pourrait être un phénomène courant dans la synthèse CVD de monocouches de dichalcogénure 2D, et mérite donc une étude continue.