Grafenowa „kołderka” dla struktur dwuwymiarowych

Próby lepszego wykorzystania materiałów 2D nie ustają. Unikalnymi strukturami o grubości zaledwie trzech atomów – dwusiarczkiem molibdenu (MoS2) i dwusiarczkiem wolframu (WS2) – zajęli się w najnowszej pracy opublikowanej w „Acta Materialia” nasi fizycy. Poprzez aplikowanie warstwy grafenowej chcieli sprawdzić, jak zmienią się właściwości fizyczne badanych struktur.

Obydwa dwusiarczki to unikatowe, półprzewodnikowe struktury o wysokim potencjale aplikacyjnym w nowoczesnej elektronice i optoelektronice. W swoim artykule fizycy z PW opisali proces umieszczania na nich pojedynczej warstwy atomów węgla – grafenu. Taka sytuacja może mieć miejsce na przykład w przypadku podłączenia grafenowych elektrod do cienkich warstw półprzewodnikowych MoS2 lub WS2.

Uchylone drzwi do nowych pomysłów w skali nano

– Uzyskaliśmy bogate informacje na temat tego, jakich zmian w rozszerzalności termicznej (a zatem także zmian w geometrii całej struktury) możemy się spodziewać, jeżeli przykryjemy cienkowarstwowy półprzewodnik MoS2 lub WS2 pojedynczą warstwą grafenu – mówi dr inż. Konrad Wilczyński z Wydziału Fizyki, główny autor publikacji. – Dowiedzieliśmy się, jaki jest wpływ oddziaływania między poszczególnymi warstwami takiej dwuwarstwowej „kanapki” na geometrię równowagową struktury oraz jej wewnętrzne drgania, również w funkcji temperatury. Natomiast siła tego oddziaływania zależy w dużej mierze od tego, jak dobrze te warstwy przylegają do siebie oraz pod jakim kątem, a to już daje nam szerokie pole do inżynierii tego oddziaływania przy projektowaniu przyszłych nanourządzeń. 

Symulacje kwantowo-mechaniczne

Sercem wykonanych badań jest wykorzystanie symulacji odwołujących się do podstawowych praw fizyki na poziomie mikroskopowym, tzn. „podglądania” każdego atomu oraz jego elektronów walencyjnych z osobna. Po stworzeniu wirtualnego modelu badanej struktury można zbadać oddziaływania między dowolną parą jej atomów, a to pozwala obliczyć drgania sieci krystalicznej.

Po wykorzystaniu bardziej zaawansowanych modeli teoretycznych można też pokusić się o zbadanie efektów temperaturowych – w tym przypadku rozszerzalności termicznej oraz zależności drgań sieci od ich amplitudy. Nasz zespół przeprowadził również precyzyjne pomiary spektroskopowe, by zbadać analogiczne zależności eksperymentalnie „na żywym pacjencie”. To efekt dwuletniej pracy, dzięki której opracowano technologię układania dowolnych dwuwymiarowych warstw na sobie. Ku radości autorów artykułu, oba podejścia zaprowadziły do bardzo podobnych wyników.

– Zastosowaliśmy kilka autorskich trików obliczeniowych, aby umożliwić uwzględnienie wszystkich istotnych efektów temperaturowych, nawet dla tak złożonych struktur, jak MoS2 i WS2 przykrytych grafenem – podkreśla dr Wilczyński. – Bez tych nowo opracowanych technik bylibyśmy zmuszeni, tak jak inne grupy badawcze, do nadmiernych uproszczeń – jednocześnie tracąc bardzo dobrą zgodność wyników symulacji z rzeczywistością. 

Więcej wyzwań na horyzoncie

Przeprowadzone badania są dopiero wstępem do tego, co jeszcze można zbadać w zakresie wielowarstwowych struktur dwuwymiarowych. Unikatowe połączenie doświadczenia w wytwarzaniu próbek i ich modelowaniu teoretycznym otwierają drogę do badania coraz to bardziej fantazyjnych próbek. Jak mówi dr Wilczyński, wciąż do zbadania pozostaje możliwość przykrycia cienkich warstw np. za pomocą izolującego azotku boru (hBN), równie ważnego jak grafen. Ponadto do zbadania pozostają przypadki umieszczania na sobie cienkich warstw, ale pod różnymi kątami – można w ten sposób uzyskać nieoczekiwane właściwości fizyczne całej struktury. Poza tym zrozumienie drgań sieci krystalicznej jest istotnym krokiem w stronę przyszłej inżynierii przewodności cieplnej takich struktur. 

Zapoznaj się z artykułem: „Phonon anharmonicity and thermal expansion in two-dimensional graphene/MoS2 and graphene/WS2 heterostructures: DFT and Raman study” (K. Wilczyński, A.P. Gertych, M. Zdrojek) (IF = 8.3)

Prace w projekcie zostały sfinansowane z grantu Young PW, którego kierownikiem jest dr inż. Konrad Wilczyński. Young PW to konkurs realizowany w ramach projektu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza” na Politechnice Warszawskiej.