ブログ

Nov 03, 2023

ナノスケールギャップの理解において大きな飛躍を遂げる

2023 年 8 月 18 日 この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされました。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

2023 年 8 月 18 日

この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされています。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

事実確認済み

査読済みの出版物

信頼できる情報源

校正する

デニス・ヤザック著、ブルックヘブン国立研究所

ユニークで有益な特性を持つ層を組み合わせて新しい材料を作成することは、材料を積み重ねて利点を積み上げるという、かなり直感的なプロセスのように思えます。 ただし、常にそうとは限りません。 すべての素材がエネルギーを同じように通過できるわけではないため、ある素材の利点を得るために別の素材の利点を犠牲にすることになります。

機能性ナノマテリアルセンター（CFN）、ブルックヘブン国立研究所の米国エネルギー省（DOE）ユーザー施設、ワルシャワ大学実験物理研究所の科学者たちは、最先端のツールを使用して、次のような新しい層状構造を作成しました。エネルギーと電荷の独特の移動を示す 2D マテリアル。 その材料特性を理解することは、太陽電池やその他の光電子デバイスなどの技術の進歩につながる可能性があります。 結果はNano Letters誌に掲載された。

遷移金属ダイカルコゲニド (TMD) は、原子的に薄い層でサンドイッチ状に構造化された材料の一種です。 TMD の中身は遷移金属であり、ほとんどの元素と同様に、最も外側の軌道または殻上の電子と化学結合を形成することができ、さらに次の殻にも化学結合を形成できます。 この金属は、酸素、硫黄、セレンを含む元素のカテゴリーであるカルコゲンの 2 つの層の間に挟まれています。

カルコゲンはすべてその最外殻に 6 つの電子を持っており、そのため化学的挙動が似ています。 これらの材料層のそれぞれの厚さは原子 1 つだけで、人間の髪の毛の太さの 100 万分の 1 なので、2 次元 (2D) 材料と呼ばれます。

「原子レベルでは、これらのユニークで調整可能な電子特性を確認することができます」とブルックヘブンのスタッフ科学者、CFN 界面科学および触媒グループのアブドラ・アル・マブーブ氏は述べています。 「顎関節症は物理学の遊び場のようなものです。私たちは原子レベルでエネルギーをある物質から別の物質に移動させています。」

このスケールの材料からは、いくつかの新しい特性が現れ始めます。 たとえば、グラフェンは、ほとんどの鉛筆の素材であるグラファイトの 2D バージョンです。 ノーベル賞を受賞した実験では、科学者たちは粘着テープを使用してグラファイトから薄片を剥がし、グラフェンの層を研究しました。 研究者らは、グラフェンが原子レベルで信じられないほど強力であることを発見しました。その重量に比べて鋼鉄の 200 倍の強度があります。 さらに、グラフェンは優れた熱伝導体および電気伝導体であり、独特の光吸収スペクトルを持っています。 これにより、他の材料の 2D 形状とその特性を研究するための扉が開かれました。

2D素材は単体でも面白いですが、組み合わせると驚くようなことが起こります。 それぞれの材料には独自のスーパーパワー（材料を環境から保護し、エネルギーの伝達を制御し、さまざまな周波数の光を吸収する）があり、科学者が材料を積み重ね始めると、いわゆるヘテロ構造が形成されます。 これらのヘテロ構造はいくつかの驚くべき機能を備えており、いつか小型の電子部品やより高度な光検出器などの将来の技術に統合される可能性があります。

これらのマテリアルの探索は、粘着テープのような単純なものから始まったかもしれませんが、2D マテリアルの抽出、分離、カタログ化、構築に使用されるツールは非常に高度なものになっています。 CFN では、システム全体がこれらのヘテロ構造とその作成に使用される技術、つまり Quantum Materials Press (QPress) の研究に専念してきました。