Wissenschaftler weben atomar dünne Fäden in r

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Bild: Darstellung der Umwandlung von Nanodrähten in Nanobänder in Übergangsmetallchalkogeniden.
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Bildnachweis: Tokyo Metropolitan University

Tokio, Japan – Forscher der Tokyo Metropolitan University haben erfolgreich Nanodrähte aus einem Übergangsmetall-Chalkogenid verwendet, um atomar dünne „Nanobänder“ herzustellen. Bündel von Nanodrähten wurden einem Gas aus Chalkogenatomen und Hitze ausgesetzt, was dazu beitrug, die Drähte zu schmalen Bändern zu verschmelzen. Nanobänder sind für anspruchsvolle elektronische Geräte sehr gefragt; Angesichts der Skalierbarkeit der Methode hofft das Team, dass sie in der industriellen Produktion fortschrittlicher Materialien weit verbreitet sein wird.

Die Materialwissenschaft im Zeitalter der Elektronik ist ebenso anspruchsvoll wie revolutionär. Da Schaltkreise immer kleiner, schneller und energieeffizienter werden, stehen Wissenschaftler vor der immer schwierigeren Herausforderung, die Struktur der darin verwendeten Materialien auf atomarer Ebene zu kontrollieren. Ein vielversprechender Forschungsweg ist die Verwendung komplexer Materialstränge, die nur wenige Atome breit sind; Eine solche Struktur besteht aus Übergangsmetallchalkogeniden, einer Kombination aus Übergangsmetallen und Chalkogenen, Atomen, die im Periodensystem eine Spalte mit Sauerstoff teilen. Diese atomar dünnen „Nanodrähte“ haben Eigenschaften, die für ihre eindimensionale Struktur spezifisch sind, und sind für anspruchsvolle elektronische Geräte sehr gefragt. Aber was sie im Detail haben, fehlt ihnen an Abstimmbarkeit. Hier kommen „Nanoribbons“ ins Spiel, also schmale, atomar dünne Blätter. Eine Feinsteuerung ihrer Breite führt beispielsweise zu einer kontrollierten Variation ihrer elektronischen und magnetischen Eigenschaften.

Viele Arbeiten wurden angewendet, um Nanobänder von unten nach oben zu „bauen“. Das Problem ist jedoch, dass diese Methoden nicht sehr skalierbar sind. Dies ist ein Problem bei der Herstellung großer Mengen für kommerzielle Vorrichtungen. Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Dr. Hong En Lim und Associate Professor Yasumitsu Miyata von der Tokyo Metropolitan University eine skalierbare Methode entwickelt, um Nanodrähte zu Nanobändern zusammenzusetzen. Das Team hatte bereits Möglichkeiten entwickelt, Nanodrähte in großen Mengen herzustellen. Indem sie Wolfram-Tellurid-Nanodrähte nahmen, erzeugten sie Bündel von Drähten, die auf einem flachen Substrat abgeschieden wurden. Diese wurden Dämpfen verschiedener Chalkogene wie Schwefel, Selen und Tellur ausgesetzt. Mit einer Kombination aus Hitze und Dampf gelang es, die zunächst in Bündeln getrennten Fäden zu schmalen, atomar dünnen „Nanobändern“ mit einer charakteristischen Zickzackstruktur zu verweben. Durch Anpassen der Dicke der ursprünglichen Balken konnten sie sogar wählen, ob diese Bänder parallel zum Substrat oder senkrecht dazu ausgerichtet waren, dank eines Wettbewerbs zwischen der Leichtigkeit, Kanten oder Flächen parallel zur unteren Oberfläche zu haben. Darüber hinaus konnten sie durch Anpassen des Substrats, auf dem die Balken platziert wurden, steuern, ob die Bänder zufällig ausgerichtet oder in eine einzige Richtung gerichtet waren. Wichtig ist, dass die Methode skalierbar ist und angewendet werden kann, um die Synthese von der Herstellung einiger weniger Bänder im Labormaßstab bis hin zu Massensynthesen auf großen Substratflächen zu führen.

Das Team konnte bestätigen, dass die von ihnen hergestellten Bänder exotische elektronische Eigenschaften hatten, die für ihre eindimensionale Natur einzigartig sind. Dies ist nicht nur ein großer Fortschritt für die Materialwissenschaften, sondern auch ein greifbarer Schritt hin zur Massenproduktion von Nanobändern in der fortgeschrittenen Elektronik, Optoelektronik und Katalysatoren.

Diese Arbeit wurde durch Zahlen JST CREST Grant-JPMJCR16F3, JPMJCR17I5 und JPMJCR20B1 und Zahlen JSPS KAKENHI Grant-JP18H01832, JP19K15383, JP19K15393, JP19K22127, JP20H02572, JP20H02605, JP20H05189, JP20H05664, JP20H05867, JP20H05870, JP20J21812, JP21H05232, JP21H05234, JP21H05236 und JP21K14498 unterstützt.


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