Het maken van 2D materialen is gemakkelijker met een KISS

De belangstelling voor 2D materialen is sinds de ontdekking van de grafeen, de tweedimensionale vorm van grafiet, sterk toegenomen. De reden voor de populariteit zijn hun bijzondere natuurkundige eigenschappen. Grafeen werd twintig jaar geleden gemaakt door met plakband een stukje grafiet af te pellen. Dat was voldoende voor een Nobelprijs, maar de methode kent nadelen. Een internationaal team van oppervlakte-wetenschappers heeft nu een simpele methode ontwikkeld om grote en zeer schone 2D monsters te maken van een reeks materialen, en met drie verschillende typen ondergrond. Deze methode, kinetic in situ single-layer synthesis (KISS) is op 1 juni gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science.

2D materialen van één atoomlaag dik hebben eigenschappen die in de bulk-vorm niet aanwezig zijn. Een reden hiervoor is de opsluiting van ladingsdragers. Er zijn twee manieren om dit soort 2D materialen te maken. Exfoliatie is het afpellen van laagjes van een groter kristal totdat er nog maar één atoomlaag over is. ‘Dit proces is tijdrovend en je hebt speciale vaardigheden nodig en de juiste apparatuur’, vertelt Antonija Grubišić-Čabo, oppervlaktewetenschappers aan de RUG en eerst auteur van het artikel in Advanced Science. ‘Verder krijg je op die manier meestal kleine stukjes 2D materiaal, en laat het plakband vaak vervuiling achter op het oppervlak.’

Goud

Een andere manier is het laten groeien van een 2D film. Op die manier zijn grotere monsters te maken, onder gecontroleerde omstandigheden. ‘Maar het kost veel tijd om uit te zoeken hoe je een nieuw 2D materiaal moet laten groeien. Bovendien is het resultaat niet altijd exact één laag dik’, zegt Grubišić-Čabo. Sament met laatste auteur Maciej Dendzik stelde zij een ‘dream team’ samen van collega’s waar ze eerder mee hadden samengewerkt, tijdens hun promotie aan de universiteit van Aarhus (Denemarken). Doel was om een eenvoudige techniek te ontwikkelen voor het maken van 2D materialen.

‘We kenden experimenten waarbij goudfilms zijn gebruikt om kristallen af te pellen. Maar die gebeurden in gewone omgevingslucht, waardoor de techniek niet geschikt is voor materialen die daar niet tegen kunnen, en ook niet voor oppervlaktewetenschap.’ Het team wilde lucht-gevoelige 2D materialen kunnen maken op verschillende typen ondergrond. Bij hun eerste poging gebruikten zij een goud kristal in een hoog-vacuüm kamer. ‘Wat we deden was het kristal hard in het materiaal drukken. En we ontdekten dat er op die manier inderdaad een mooi 2D laagje aan het goud bleef hangen.’ Waarom dit gebeurt is nog niet helemaal duidelijk, maar het team vermoed dat de binding met het goud sterker is dan de Van der Waalskrachten die de verschillende laagjes in het bulkmateriaal bij elkaar houden.

Constructies

Zij hebben dit eerst experiment vervolgens verfijnd, bijvoorbeeld door een veer aan te brengen op de houder met het bulkmateriaal. Die werkt als een schokbreker zodat het gemakkelijker is om de inslag van het goud te controleren. Bovendien kon het team laten zien dat ook zilver en de halfgeleider germanium geschikt zijn om 2D laagjes af te pellen. ‘Goudkristallen horen bij de standaard uitrusting van labs voor oppervlaktewetenschap, waar ze gebruikt worden voor onder meer het kalibreren van instrumenten. Die wil je dus niet beschadigen, maar gelukkig gebeurde dat in geen van onze experimenten’, vertelt Grubišić-Čabo. ‘En sindsdien hebben we het protocol ook aangepast, door dunne films met goudkristal te gebruiken. Voordeel hiervan is dat we het goud kunnen oplossen, zodat alleen het 2D monster overblijft, als dat ten minste stabiel is in de lucht of vloeistof.’

De monsters die op deze manier zijn gemaakt zullen worden gebruikt voor het bouwen van constructies met gestapelde 2D materialen die via de KISS methode zijn gemaakt. ‘Dat is nog niet gelukt, maar we werken er hard aan’, aldus Grubišić-Čabo. ‘Wat we nu dus hebben is een manier om zeer schone en grote 2D monsters te maken op een heel eenvoudige manier. En die ook geschikt is voor lucht-gevoelige materialen. Bovendien is de apparatuur die voor onze techniek nodig is aanwezig in zowat alle laboratoria voor oppervlakteonderzoek.’

Referentie: Antonija Grubišić-Čabo, Matteo Michiardi, Charlotte E. Sanders, Marco Bianchi, Davide Curcio, Dibya Phuyal, Magnus H. Berntsen, Qinda Guo, Maciej Dendzik: In situ exfoliation method of large-area 2D materials. Advanced Science, 1 juni 2023.