Molybdeentrioxide (MoO3) heeft potentieel als belangrijk tweedimensionaal (2D) materiaal, maar de bulkproductie ervan blijft achter bij die van andere in zijn klasse. Nu hebben onderzoekers van A*STAR een eenvoudige methode ontwikkeld voor de massaproductie van ultradunne, hoogwaardige MoO3-nanosheets.

Na de ontdekking van grafeen begonnen andere 2D-materialen, zoals di-chalcogeniden van overgangsmetalen, aanzienlijke aandacht te trekken. In het bijzonder is MoO3 naar voren gekomen als een belangrijk 2D-halfgeleidend materiaal vanwege zijn opmerkelijke elektronische en optische eigenschappen die veelbelovend zijn voor een reeks nieuwe toepassingen in de elektronica, opto-elektronica en elektrochromie.

Liu Hongfei en collega's van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering en Institute of High Performance Computing hebben geprobeerd een eenvoudige techniek te ontwikkelen voor de massaproductie van grote, hoogwaardige nanosheets van MoO3 die flexibel en transparant zijn.

“Atomisch dunne nanosheets van molybdeentrioxide hebben nieuwe eigenschappen die kunnen worden gebruikt in een reeks elektronische toepassingen”, zegt Liu. “Maar om nanosheets van goede kwaliteit te produceren, moet het moederkristal een zeer hoge zuiverheid hebben.”

Door eerst gebruik te maken van een techniek genaamd thermisch damptransport, verdampten de onderzoekers MoO3-poeder in een buisoven bij 1000 graden Celsius. Vervolgens zouden ze, door het aantal kiemplaatsen te verminderen, de thermodynamische kristallisatie van MoO3 beter kunnen afstemmen om hoogwaardige kristallen te produceren bij 600 graden Celsius zonder de noodzaak van een specifiek substraat.

“Over het algemeen wordt de kristalgroei bij hogere temperaturen beïnvloed door het substraat”, legt Liu uit. "Bij gebrek aan een opzettelijk substraat zouden we de kristalgroei echter beter kunnen beheersen, waardoor we molybdeentrioxidekristallen van hoge zuiverheid en kwaliteit kunnen kweken."

Nadat de kristallen tot kamertemperatuur waren afgekoeld, gebruikten de onderzoekers mechanische en waterige exfoliatie om submicron-dikke banden van MoO3-kristallen te produceren. Nadat ze de banden aan sonicatie en centrifugatie hadden onderworpen, konden ze grote, hoogwaardige MoO3-nanosheets produceren.

Het werk heeft nieuwe inzichten opgeleverd in de elektronische interacties tussen de lagen van 2D MoO3-nanosheets. De door het team ontwikkelde kristalgroei- en exfoliatietechnieken zouden ook nuttig kunnen zijn bij het manipuleren van de bandafstand (en dus de opto-elektronische eigenschappen) van 2D-materialen door 2D-heterojuncties te vormen.

“We proberen nu 2D MoO3-nanosheets met grotere oppervlakken te fabriceren, en onderzoeken ook hun potentiële gebruik in andere apparaten, zoals gassensoren”, zegt Liu.