Uutiset

Kiertäminen paljastaa 2D-materiaalien supervoimat – Uudella menetelmällä voidaan kiertää atomikerroksia ennätyksellisessä mittakaavassa

Tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän atominohuiden materiaalikerrosten välisen kiertokulman hallitsemiseen, mikä luo pohjaa säädettävien kaksiulotteisten materiaalien sovelluksille.
three different interlayer twist angles and their subsequent crystalline symmetry
Kerrosten välinen kulma määrää materiaalin kiderakenteen ja synnyttää erityisiä fysikaalisia ominaisuuksia, jotka voivat mahdollistaa esimerkiksi sähkön vastuksettoman kulkemisen ja lähes täydellisen kitkattomuuden.

Kaksiulotteiset eli 2D-materiaalit koostuvat vain yhdestä atomikerroksesta. Ainutlaatuisten sähköisten, optisten ja mekaanisten ominaisuuksiensa ansiosta ne ovat herättäneet runsaasti kiinnostusta siitä lähtien, kun grafeeni löydettiin vuonna 2004. Kaksiulotteiset materiaalit ovat äärimmäisen vahvoja ja johtavat erittäin hyvin sähköä, joten niitä pidetään lupaavina materiaaleina muun muassa lasereihin, aurinkokennoihin, antureihin ja lääketieteeseen.

Kun kaksiulotteisen materiaalin kerroksia asetetaan päällekkäin hieman vinottain eri kulmassa, monikerroksinen materiaali voi saada vieläkin eksoottisempia fysikaalisia ominaisuuksia. Näitä ovat esimerkiksi korkean lämpötilan suprajohtavuus, joka olisi mullistavaa esimerkiksi sähköenergiatekniikassa, supraliukuvuus eli lähes täydellinen kitkan katoaminen sekä epälineaariset optiset ominaisuudet, jotka kiinnostavat muun muassa lasereiden ja tiedonsiirtoteknologian kehittäjiä.

Se, missä kulmassa kerrokset ovat toisiinsa nähden, vaikuttaa materiaalin kiderakenteeseen ja siten sen ominaisuuksiin. Kiertokulman säätämisen ja sen vaikutusten tutkimus on synnyttänyt täysin uuden tutkimusalan, josta käytetään englanniksi nimitystä twistronics.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat kansainvälisten kollegojensa kanssa kehittäneet uuden menetelmän, jolla voidaan ensimmäistä kertaa säätää tarkasti kaksiulotteisen materiaalin kerrosten välistä kiertokulmaa suuressa mittakaavassa. Tämä on tärkeää, jotta kierrettyjä 2D-materiaaleja voidaan tulevaisuudessa kehittää käytännön sovelluksiin.

Tutkijat osoittivat, että he voivat säätää tarkasti jopa neliösenttimetrin kokoisia molybdeenisulfidista (MoS2) koostuvia kerroksia..

”Esittämämme menetelmä antaa meille mahdollisuuden säätää monikerroksisten molybdeenisulfidi-rakenteiden ominaisuuksia suuremmassa mittakaavassa kuin koskaan aiemmin. Menetelmää voidaan käyttää myös muissa kaksiulotteisissa materiaaleissa”, sanoo Aalto-yliopiston tutkijatohtori Luojun Du, joka on yksi tutkimuksen päätekijöistä.

Merkittävä edistysaskel täysin uudella tutkimusalalla

Twistronics-tutkimus alkoi vasta vuonna 2018, ja perustutkimusta tarvitaan vielä, ennen kuin säädettävät 2D-materiaalit löytävät tiensä käytännön sovelluksiin. Nousevalla alalla uskotaan olevan valtavasti mahdollisuuksia. Tämän vuoden fysiikan Wolf Prize, yksi alan arvostetuimmista palkinnoista, myönnettiin grafeenin suprajohtavaksi tekevän kiertokulman löytäneille tutkijoille.

Aiemmissa tutkimuksissa on osoitettu, että kaksiulotteisten materiaalien kerrosten välistä kiertokulmaa voidaan säätää tarkasti kerrosten siirtomenetelmillä tai atomivoimamikroskoopin avulla. Näitä menetelmiä käytetty kuitenkin hyvin pienissä, vain ihmisen hiuksen halkaisijan mittakaavassa olevissa näytteissä. Suurempia monikerrosrakenteita on pystytty valmistamaan, mutta niiden kerrosten välinen kiertokulma on vaihdellut satunnaisesti.

Nyt tutkijat käyttivät 2D-materiaalin epitaksiaalista kasvatusta ja vesiavusteista materiaalikerroksen siirtomenetelmää.

“Koska siirtoprosessissa ei tarvitse käyttää polymeeriä apuna, näytteidemme liitospinnat ovat verrattain puhtaita. Tämän ja kiertokulman tarkan hallinnan ansiosta voimme säätää 2D-materiaalin fysikaalisia ominaisuuksia, kuten matalataajuisia kerrosten välisiä moodeja ja vyörakennetta, sekä optisia ja sähköisiä ominaisuuksia’, Du sanoo.

“Työstä on merkittävää hyötyä tulevaisuuden kaksiulotteisiin materiaaleihin pohjautuvien twistronics-sovellusten kehittämisessä”, lisää professori Zhipei Sun Aalto-yliopistosta.

Tutkimuksen tulokset julkaistiin arvostetussa Nature Communications -lehdessä.

Artikkeli (open access): Liao, M., Wei, Z., Du, L. et al. Precise control of the interlayer twist angle in large scale MoS2 homostructures. Nat Commun 11, 2153 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16056-4

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lisää tästä aiheesta

New Cotton Project
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Puuvillalle haastaja

Aalto-yliopisto mukana yhteistyöhankkeessa, jossa luodaan kestävää muotia huipputeknologian avulla.
Blue sea, golden grass and green woods in a view to Laajalahti nature reserve
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Rahoitusta strategiseen tutkimukseen

Suomen Akatemian rahoittamissa hankkeissa tutkitaan kaupunkiviheralueiden merkitystä hiilensidonnassa sekä sotedatan luotettavaa hyödyntämistä.
Aalto University alumnus Asad Awan.
Palkitut, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Alumni Asad Awan palkittiin parhaasta tekniikan alan väitöskirjasta

Sähkötekniikan korkeakoulusta valmistunut Awan kehitti väitöskirjassaan ohjausmenetelmiä tehokkaampiin sähkömoottoreihin, jotka voivat pienentää moottorikäyttöisten järjestelmien hiilijalanjälkeä.
Ioncell-kuituja kierrätysmateriaalista
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Rullapyyhkeistä ja hamppuneuleesta syntyi uutta lujempaa kierrätyskuitua

Ioncell-menetelmällä tehdyn kuidun vetolujuus oli jopa 2,5-kertainen puuvillaan verrattuna. Kierrätetystä hampusta tehty Ioncell-neulos kesti hankausta kaksi kertaa kauemmin kuin hamppukangas.