Três moléculas de fase gasosa reagem a altas temperaturas durante a deposição de vapor químico para formar dissulfeto de molibdênio, um semicondutor bidimensional que poderia encontrar uso na eletrônica de última geração. Nesta ilustração, átomos de molibdênio são roxos, o oxigênio é vermelho e o enxofre é amarelo. Crédito:Jincheng Lei / Rice University
Os estudos científicos que descrevem os processos mais básicos geralmente têm o maior impacto a longo prazo. Um novo trabalho de engenheiros da Rice University poderia ser um desses, e é um gás, gás, gás para nanomateriais.
Boris Yakobson, teórico dos materiais de arroz, o estudante de graduação Jincheng Lei e o ex-aluno Yu Xie da Brown School of Engineering de Rice revelaram como um popular material 2-D, dissulfeto de molibdênio (MoS 2 ), passa a existir durante a deposição de vapor químico (CVD).
Saber como o processo funciona dará aos cientistas e engenheiros uma maneira de otimizar a fabricação em massa de MoS 2 e outros materiais valiosos classificados como dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), cristais semicondutores que são boas apostas para encontrar um lar na eletrônica de última geração.
Seu estudo na revista American Chemical Society ACS Nano foca no MoS 2 da "pré-história, "especificamente o que acontece em um forno CVD, uma vez que todos os ingredientes sólidos estão no lugar. CVD, frequentemente associado a grafeno e nanotubos de carbono, foi explorada para fazer uma variedade de materiais 2-D, fornecendo precursores e catalisadores sólidos que sublimam em gás e reagem. A química dita quais moléculas saem do gás e se acomodam em um substrato, como cobre ou silicone, e montar em um cristal 2-D.
O problema é que, uma vez que a fornalha acende, é impossível ver ou medir a complicada cadeia de reações no ensopado químico em tempo real.
"Centenas de laboratórios estão cozinhando esses TMDs, completamente alheio às intrincadas transformações que ocorrem no forno escuro, "disse Yakobson, o professor Karl F. Hasselmann de Ciência dos Materiais e NanoEngenharia e professor de química. "Aqui, estamos usando simulações e análises de química quântica para revelar o que está lá, no escuro, que leva à síntese. "
As teorias de Yakobson muitas vezes levam experimentalistas a tornar suas previsões realidade. (Por exemplo, buckyballs de boro.) Desta vez, o laboratório de arroz determinou o óxido de molibdênio do caminho (MoO 3 ) e pó de enxofre leva para depositar uma rede atomicamente fina em uma superfície.
A resposta curta é que são necessários três passos. Primeiro, os sólidos são sublimados por meio de aquecimento para transformá-los de sólido em gás, incluindo o que Yakobson chamou de uma "bela" molécula de anel, trimolibdênio nonaóxido (Mo 3 O 9 ) Segundo, os gases contendo molibdênio reagem com átomos de enxofre sob alta temperatura, até 4, 040 graus Fahrenheit. Terceiro, molibdênio e moléculas de enxofre caem na superfície, onde eles se cristalizam na estrutura semelhante a macacos que é característica dos TMDs.
O que acontece na etapa intermediária é o que mais interessa aos pesquisadores. As simulações do laboratório mostraram que um trio dos principais reagentes da fase gasosa são os principais suspeitos na fabricação de MoS 2 :Enxofre, o Mo semelhante a um anel 3 O 9 moléculas que se formam na presença de enxofre e o híbrido subsequente de MoS 6 que forma o cristal, liberando átomos de enxofre em excesso no processo.
Lei disse que as simulações de dinâmica molecular mostraram as barreiras de ativação que devem ser superadas para mover o processo, geralmente em picossegundos.
"Em nossa simulação de dinâmica molecular, descobrimos que este anel é aberto por sua interação com o enxofre, que ataca o oxigênio conectado aos átomos de molibdênio, "disse ele." O anel vira uma corrente, e outras interações com as moléculas de enxofre separam essa cadeia em monômeros de sulfeto de molibdênio. A parte mais importante é a quebra da corrente, que supera a maior barreira de energia. "
Essa constatação pode ajudar os laboratórios a agilizar o processo, Lei disse. "Se pudermos encontrar moléculas precursoras com apenas um átomo de molibdênio, não precisaríamos superar a alta barreira de quebrar a corrente, " ele disse.
Yakobson disse que o estudo pode se aplicar a outros TMDs.
"As descobertas muitas vezes aumentam a nanoengenharia empírica para se tornar um esforço básico guiado pela ciência, onde os processos podem ser previstos e otimizados, " ele disse, observando que, embora a química seja geralmente conhecida desde a descoberta dos fulerenos TMD no início dos anos 90, compreender os detalhes irá promover o desenvolvimento da síntese 2-D.
"Só agora podemos 'sequenciar' a química passo a passo envolvida, "Disse Yakobson." Isso nos permitirá melhorar a qualidade do material 2-D, e também ver quais subprodutos do gás podem ser úteis e capturados no caminho, abrindo oportunidades para a engenharia química. "
