它們是地球上最薄的結(jié)構(gòu)之一：“二維材料”是僅由一層或幾層原子組成的晶體。它們經(jīng)常顯示出不尋常的特性，承諾在光電子和能源技術(shù)方面有許多新的應(yīng)用。這些材料之一是二維硫化鉬，一種原子級薄的鉬和硫原子層。

這種超薄晶體的生產(chǎn)是困難的。結(jié)晶過程取決于許多不同的因素。過去，不同的技術(shù)產(chǎn)生了非常多樣化的結(jié)果，但其原因無法準(zhǔn)確解釋。由于維也納大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)和施蒂利亞州的Joanneum研究所開發(fā)的新方法，有史以來第一次有可能直接在電子顯微鏡下觀察結(jié)晶過程。該方法現(xiàn)已在ACS Nano的科學(xué)雜志上發(fā)表。

從天然氣到水晶

“硫化鉬可用于透明和柔性太陽能電池或可持續(xù)產(chǎn)生氫氣用于儲能，”該研究的主要作者，TU Wien材料化學(xué)研究所的Bernhard C. Bayer說。“然而，為了做到這一點(diǎn)，必須在受控條件下種植高質(zhì)量的晶體。”

通常這是通過以氣態(tài)形式的原子開始，然后以隨機(jī)和非結(jié)構(gòu)化的方式將它們冷凝在表面上來完成的。在第二步中，原子以規(guī)則的晶體形式排列 - 例如通過加熱。“然而，結(jié)晶過程中的各種化學(xué)反應(yīng)仍然不清楚，這使得開發(fā)更好的這種2D材料的生產(chǎn)方法變得非常困難，”拜耳說。

然而，由于采用了一種新方法，現(xiàn)在應(yīng)該可以準(zhǔn)確地研究結(jié)晶過程的細(xì)節(jié)。“這意味著不再需要通過試驗(yàn)和錯(cuò)誤進(jìn)行試驗(yàn)，但由于對這些過程有了更深入的了解，我們可以肯定地說如何獲得所需的產(chǎn)品，”拜耳補(bǔ)充道。

石墨烯作為基質(zhì)

首先，將鉬和硫隨機(jī)放置在由石墨烯制成的膜上。石墨烯可能是2D材料中最著名的 - 一種厚度僅為一個(gè)原子層的晶體，由碳原子排列成蜂窩狀晶格。然后在電子顯微鏡中用精細(xì)電子束操縱隨機(jī)排列的鉬??和硫原子?？梢酝瑫r(shí)使用相同的電子束對該過程成像并啟動結(jié)晶過程。

這樣，現(xiàn)在第一次可以直接觀察原子在材料生長過程中如何移動和重新排列，厚度僅為兩個(gè)原子層。“這樣做，我們可以看到，最熱力學(xué)穩(wěn)定的配置并不一定總是必須是最終狀態(tài)，”拜耳說。不同的晶體排列相互競爭，相互轉(zhuǎn)化并相互替換。“因此，現(xiàn)在很清楚為什么早期的調(diào)查會產(chǎn)生如此不同的結(jié)果。我們正在處理一個(gè)復(fù)雜，動態(tài)的過程。” 通過有針對性地干預(yù)重排過程，新發(fā)現(xiàn)將有助于將2D材料的結(jié)構(gòu)更精確地適應(yīng)未來的應(yīng)用要求。