Atoomscherpe randen definiëren 2D-materiaal

Ze presenteren hun bevindingen in Nature Communications.

"Onze methode maakt het mogelijk om de randen – atoom voor atoom – te beheersen op een manier die zowel gemakkelijk als schaalbaar is, met alleen milde verwarming in combinatie met overvloedige, milieuvriendelijke chemicaliën, zoals waterstofperoxide", zegt eerste auteur Battulga Munkhbat.

Verschillende randen, verschillende eigenschappen

Het beheersen van de randen van 2D materialen is een uitdagend wetenschappelijk probleem, omdat ze heel anders zijn dan het hoofdgedeelte. Een specifiek type rand dat bijvoorbeeld wordt aangetroffen in dichalcogeniden van overgangsmetalen (bekend als TMD’s, zoals molybdeendisulfide), kan magnetische en katalytische eigenschappen hebben.

Typische TMD-materialen hebben randen die in twee verschillende varianten kunnen voorkomen, bekend als zigzag of fauteuil. Deze alternatieven zijn zo verschillend dat hun fysische en chemische eigenschappen totaal niet gelijk zijn. Berekeningen voorspellen bijvoorbeeld dat zigzagranden metaalachtig en ferromagnetisch zijn, terwijl fauteuilranden halfgeleidend en niet-magnetisch zijn. Vergelijkbaar met deze opmerkelijke variaties in fysische eigenschappen, zou men kunnen verwachten dat de chemische eigenschappen van zigzag- en fauteuilranden ook heel verschillend zijn. Als dat het geval is, is het mogelijk dat bepaalde chemicaliën de randen van fauteuils ‘oplossen’, terwijl de zigzagranden onaangetast blijven.

Nu is zo’n ‘magische’ chemische stof precies wat de onderzoekers van Chalmers hebben gevonden – in de vorm van gewoon waterstofperoxide. In eerste instantie waren de onderzoekers volledig verrast door de nieuwe resultaten.

Atomair scherp

"Het was niet alleen dat het ene type rand dominant was, maar ook dat de resulterende randen extreem scherp waren – bijna atomair scherp. Dit geeft aan dat de ‘magische’ chemische stof op een zogenaamde zelfbeperkende manier werkt en ongewenst materiaal atoom voor atoom verwijdert, wat uiteindelijk resulteert in randen aan de atoomscherpe grens. De resulterende patronen volgden de kristallografische oriëntatie van het originele TMD-materiaal en produceerden prachtige, atoomscherpe hexagonale nanostructuren ", zegt Munkhbat.

De nieuwe methode, die een combinatie omvat van standaard top-down lithografische methoden met een nieuw anisotroop nat etsproces, maakt het daarom mogelijk om perfecte randen te creëren in tweedimensionale materialen. "Deze methode opent nieuwe en ongekende mogelijkheden voor van der Waals-materialen (gelaagde 2D-materialen). We kunnen nu randfysica combineren met 2D-fysica in één materiaal. Het is een buitengewoon fascinerende ontwikkeling ", zegt onderzoeksleider Timur Shegai.