Снежинки помогли понять, как лучше получать 2D-материалы | Популярный Университет

Снежинки помогли понять, как лучше получать 2D-материалы

Изучение формы кристаллов может помочь исследователям слоистых наноматериалов

Чтобы оптимизировать химическое газофазное осаждение графена и халькогенидов металлов американские исследователи предложили использовать форму кристаллов как ключевой параметр. Исследование опубликовано в Materials Today.

Мы уже неоднократно рассказывали вам о различных двумерных наноматериалах — например, графене и дисульфиде молибдена. Катализаторы, оптоэлектроника, солнечные батареи, гибкие материалы — это только малая часть из того, где их потенциально можно применить.

Чтобы использовать двумерные материалы в реальных устройствах, их (наноматериалы) необходимо получить в наноразмерном состоянии — в виде тонких плёнок, состоящих из множества очень маленьких кристаллов. Часто для этого применяют метод химического осаждения из газовой фазы. Исходные вещества испаряются при нагревании, реагируют и осаждаются в виде кристалликов продукта на некоторой подложке.

Метод уже зарекомендовал себя в исследовательских кругах, однако и у него есть недостатки. Осаждение плёнок достаточно трудно сделать контролируемым и воспроизводимым. Так происходит, во-первых, из-за сложности микроскопических процессов, а во-вторых — из-за большого количества параметров, влияющих на процесс. Это делает моделирование синтеза необходимых материалов крайне сложной вычислительной задачей.

Упростить её можно, найдя правильный (удобный и точный) способ совместить экспериментальные данные и компьютерное моделирование процессов. Американские исследователи предлагают использовать в качестве ключевого элемента информацию о морфологии кристаллов, то есть об их форме.

Форма кристалла зависит от условий, в которых происходило его образование. Авторы проводят параллель со снежинками — кристалликами льда, образующимися в атмосфере. Снежинки также могут принимать множество разнообразных форм, которые были однажды изучены и систематизированы японским учёным и натуралистом Укисиро Накайя. Результатом его труда стала так называемая диаграмма Накайя, которая связывает температуру и влажность воздуха с формой образующихся снежинок. Этот подход помог учёным делать выводы об атмосферных условиях, основываясь на форме образующихся снежинок.

Тот же принцип американские исследователи предлагают применять и для изучения процесса кристаллизации наноплёнок графена и халькогенидов металлов. Авторы отмечают, что примеры подобных диаграмм морфологии для двумерных материалов уже имеются. Как правило, они связывают какие-либо характеристики проводимого процесса и форму получающихся кристаллов. Проблема в том, что эти характеристики зависят от конкретного используемого оборудования. Чтобы получить универсальную зависимость, необходимо использовать более общие параметры, в частности, термодинамические. В свою очередь, чтобы перейти от зависимых от оборудования параметров к независимым, необходимо создавать реакторы с более строгим контролем за процессом осаждения.

По мнению авторов, на основе диаграмм зависимости формы кристалла от внутренних параметров системы можно создавать модели образования и роста кристаллов, которые позволят сделать синтез наноматериалов более контролируемым. Быстрая обработка изображений кристаллов, построение больших баз данных морфологии, применение машинного обучения для отслеживания движений частиц и измерения кинетики роста кристаллов — всё это может помочь и в фундаментальных исследованиях двумерных наноматериалов, и в технических разработках конкретных устройств.

Автор: Максим Мазурин
Редактор: Анастасия Воротникова

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: