一种防腐蚀薄原子板的新方法

许多具有光学、电子或光电应用前景的二维材料在暴露于氧气和水蒸气时迅速降解,这一事实阻碍了它们的发展。到目前为止,开发出来的防护涂层已经被证明是昂贵和有毒的,并且不能被取下。

现在,麻省理工学院和其他地方的一组研究人员已经开发出一种超薄涂层,价格便宜,使用简单,可以通过涂上特定的酸来去除。

研究人员表示,这种新型涂层可能为这些“迷人的”2D材料开辟广泛的潜在应用领域。他们的发现发表在本周的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,由麻省理工学院研究生聪苏(Cong Su)撰写;李菊教授、孔晶教授、丁嘉教授、胡钧君教授;以及麻省理工学院、澳大利亚、中国、丹麦、日本和英国的其他13所大学

李说,对二维材料的研究是一个“非常活跃的领域”,这种材料可以形成只有一个或几个原子厚度的薄片。由于其不同寻常的电子和光学特性,这些材料有很好的应用前景,例如高灵敏度的光探测器。但其中许多物质,包括黑磷和一类被称为过渡金属双卤金酸盐(TMDs)的物质,在暴露于潮湿空气或各种化学物质时都会腐蚀。它们中的许多在短短几小时内就会严重退化,从而无法用于实际应用。

李说,这是开发此类材料的“关键问题”。“如果你不能在空气中稳定它们,它们的处理能力和用途是有限的。他说,硅之所以成为电子设备中无处不在的材料,原因之一是当暴露在空气中时,它会在表面自然形成一层二氧化硅保护层,防止表面进一步退化。但是对于这些原子厚度的材料来说,这就更困难了,它们的总厚度甚至可能比二氧化硅保护层还小。

人们曾尝试在各种2D材料上涂上一层保护屏障,但迄今为止,它们都存在严重的局限性。大多数涂层比2D材料本身要厚得多。大多数还很脆,很容易形成裂缝,让腐蚀的液体或蒸汽通过,而且很多有毒,造成处理和处置的问题。

研究人员说,这种新涂层基于一系列被称为线性烷基胺的化合物,改善了这些缺点。这种材料可以应用在1纳米(十亿分之一米)厚的超薄层上,在应用后对材料进行进一步加热,愈合微小的裂缝,形成一个连续的屏障。该涂层不仅不受各种液体和溶剂的影响,而且显著地阻止了氧气的渗透。而且,如果某些有机酸需要的话,它可以稍后被除去。

“这是一种独特的方法”来保护薄的原子薄片,李说,这产生了一个额外的单分子厚度的层,称为单层,提供了非常持久的保护。“这使材料的寿命延长了100倍,”他说,并将其中一些材料的可加工性和可用性从几个小时延长到几个月。他补充说,这种涂层化合物“非常便宜,容易使用”。

除了对这些涂层的分子行为进行理论建模外,该团队还用新涂层保护的TMD材料薄片制作了一个工作光电探测器,作为概念验证。涂层材料是疏水性的,这意味着它强烈排斥水,否则水会扩散到涂层中,溶解掉涂层内自然形成的保护氧化层,导致快速腐蚀。

苏解释说,涂层的应用是一个非常简单的过程。将2D材料简单地放入液态己胺(线性烷基胺的一种形式)浴中,在常压下130摄氏度的温度下,在大约20分钟后形成保护涂层。然后,为了产生光滑的、无裂纹的表面,材料在相同的六胺蒸汽中浸泡20分钟。

苏说:“你只要把晶圆放入这种液体化学物质中,然后让它受热就可以了。”“基本上,就是这样。涂层“非常稳定,但它可以被某些非常特殊的有机酸除去。”

这类涂层的使用可能会为有前途的2D材料的研究开辟新的领域,包括TMDs和黑磷,但也可能是硅烯、锡宁和其他相关材料。由于黑磷是所有这些材料中最脆弱和最容易降解的,这就是该团队最初的概念证明。

Su说,新的涂层可能提供一种克服“使用这些迷人的2D材料的第一个障碍”的方法。他说:“实际上,在将这些应用程序用于任何应用程序之前,您需要处理处理过程中的降级问题。”现在这一步已经完成。

团队包括麻省理工学院的研究人员的部门核科学与工程、化学、材料科学与工程、电气工程和计算机科学、电子研究实验室,以及其他人在澳大利亚国立大学,中国科学院大学在丹麦奥胡斯大学,牛津大学,在日本信州大学。支持的工作中心激子学与能源前沿研究中心由美国能源部资助,由美国国家科学基金会,中国科学院,英国皇家学会,美国陆军研究办公室通过麻省理工学院的士兵纳米技术研究所和东北大学

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/corrosion-proof-atomic-sheets-1004

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