Gelaagde kristallijne nanosheets ontgrendelen instelbare elektronische eigenschappen

Boor is een veelzijdig niet-metaal element, maar tot de laatste vijf jaar hebben chemici alleen getheoriseerd over de nuttige eigenschappen en toepassingen van tweedimensionale (2D) boor-bevattende materialen. Een groep geleid door onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba heeft nu theorie in praktijk omgezet door de eerste 2D boormonosulfide (BS) nanosheets te prepareren die laag-voor-laag gehanteerd kunnen worden om hun elektronische eigenschappen te controleren.

De inherent grote oppervlaktes en diverse elektronische toestanden van 2D materialen maken ze goede kandidaten voor toepassingen in batterijen en andere apparaten. Bovendien kan het combineren van 2D bouwstenen in nieuwe materialen toelaten voor grotere controle over hun functionaliteiten. Eerdere computationele studies hadden gesuggereerd dat BS verschillende stabiele 2D structuren met unieke eigenschappen kon aannemen. Daarom fabriceren de onderzoekers een 1:1 boor:sulfide bulk materiaal, dat een rhombohedrale (een driedimensionale ruit) kristalstructuur (r-BS) had, en streepden dan individuele nanolagen (2D BS) af, die de oorspronkelijke kristallijne ordening van het materiaal behielden.

"Onze analyse bevestigde wat onze eigen berekeningen hadden voorspeld," zegt onderzoeksleider, professor Takahiro Kondo. "Namelijk, BS nanosheets hadden een andere bandgap energie dan het bulk materiaal, en belangrijker, de bandgap kon afgestemd worden op basis van het aantal gestapelde 2D BS vellen."

Het vermogen om een elektrische stroom te geleiden is gerelateerd aan de bandgap energie van een materiaal, dus is het daarom een sleuteleigenschap gelinkt aan potentiële elektronische apparaattoepassingen. De onderzoekers vonden dat de bandgap energie van een enkel BS nanosheet relatief groot was, maar successief afnam toen ze één of twee additionele nanosheet lagen toevoegden. De bandgap energie van de stapel bereikte uiteindelijk het niveau van de bulk r-BS na ongeveer vijf vellen geassembleerd waren.

"Dit kenmerk en lichte effectieve-elektronenmassa van de BS nanosheets gaven aan dat ze potentiëel kunnen dienen als n-type halfgeleider materialen met hoge geleidbaarheid," zei Kondo, "wat ze uniek maakt onder andere bekende 2D boor-bevattende materialen die geen bandgaps hebben."

Vanwege hun distincte bandgap structuren, reageerden elektroden bestaande uit r-BS of 2D BS op verschillende golflengtes van licht. De r-BS vereiste lagere-energie bestraling (zichtbaar licht) om een stroom te geleiden en fotokatalytisch gedrag te vertonen, terwijl de grotere bandgap van de 2D BS alleen actief was onder hogere-energie ultraviolet licht.

Inderdaad, boor is ver van saai! Deze licht-geïnduceerde fenomenen benadrukten het feit dat 2D boormonosulfide materialen toegepast kunnen worden in fotokatalytische of elektronische apparaten, en belangrijker, hun eigenschappen kunnen afgestemd worden zoals nodig door het aantal nanosheets te controleren.