Neue Methode entdeckt 2D-Materialien für Elektronik

Neue Methode prognostiziert vielversprechende 2D-Materialien für die nächste Generation von Elektronik Stellen Sie sich ein Blatt Papier vor, das nur wenige Atome dick ist – das sind 2D-Materialien. Diese extrem dünnen Substanzen könnten die Basis für die Elektronik der Zukunft bilden. Ein Forschungsteam der University of Maryland Baltimore County (UMBC) hat eine neue Methode entwickelt, um 2D-Materialien vorherzusagen, die die Elektronik revolutionieren könnten. Die Ergebnisse wurden am 7. Juli in der Zeitschrift „Chemistry of Materials“ veröffentlicht. 2D-Materialien sind trotz ihrer Dünnheit oft sehr robust und können auf einzigartige Weise Elektrizität leiten. Sie werden durch schwache Kräfte, die van der Waals-Kräfte genannt werden, zusammengehalten. Diese Kräfte ermöglichen es den Materialien, unter Belastung leicht zu verformen, ohne zu brechen. Schichtförmig angeordnet, können diese Materialien aneinander vorbeigleiten, was ihre Brüchigkeit weiter reduziert. Das Forscherteam, angeführt von Peng Yan, einem Ph.D.-Kandidaten der Chemie an der UMBC, und Joseph Bennett, Assistenzprofessor für Chemie und Biochemie, konzentrierte sich auf van der Waals-schichtweise Phosphorchalcogenide. Einige dieser Materialien sind ferroelektrisch, was bedeutet, dass sie eine elektrische Ladung in einer bestimmten Richtung speichern und diese Richtung auf Kommando umkehren können. Ähnlich wie kleine, umkehrbare Batterien. Manche ferroelektrische Materialien sind auch magnetisch und verhalten sich ähnlich, wenn ein Magnetfeld angewendet wird. Diese Kombination macht sie zu idealen Materialien für fortschrittliche Elektronik wie Speichergeräte und Sensoren. „Es gibt nur zwei bekannte 2D van der Waals-ferroelektrische Materialien mit dieser Art von Struktur“, sagte Bennett. „Wir fragten uns also, wo könnten andere versteckt sein?“ Die neue Veröffentlichung ist ihre Antwort auf diese Frage. Ein Schatzkarte für neue Materialien Die Forscher nutzten eine Kombination aus Datenminierung, Computermodellierung und struktureller Analyse, um neue Materialkandidaten zu identifizieren. Yan, der erste Autor der Studie, erklärte: „Wir haben chemische Entwurfsregeln entwickelt, um diese Materialien vorherzusagen, was die Entdeckung neuer funktionaler Materialien erheblich beschleunigen könnte.“ Joshua Birenzvige, ein Student, der bei Bennett arbeitet, spielte eine entscheidende Rolle, indem er ein Python-Skript entwickelte, das dazu beitrug, die potentiellen Materialien nach ihren Eigenschaften zu sortieren und den Fortschritt des Teams zu beschleunigen. Mona Layegh, eine Ph.D.-Kandidatin in Bennetts Gruppe, ist ebenfalls Co-Autorin des neuen Papers. Die Forscher begannen, in der Inorganic Crystal Structure Database zu recherchieren, einer riesigen Sammlung bekannter Kristallstrukturen. Dann nutzten sie quantenmechanische Strukturdiagramme, die Materialien auf einem Diagramm nach ihren atomaren Eigenschaften kartografieren, um Gebiete innerhalb der Diagramme zu identifizieren, in denen vielversprechende neue Materialien verborgen sein könnten. „Durch die Analyse grundlegender Parameter wie Elektronegativität und Radius konnten wir Materialien, die die gewünschten Eigenschaften besitzen, von denen, die sie nicht haben, trennen“, erläuterte Bennett. Elektronegativität misst, wie stark ein Atom Elektronen anzieht, während der Radius die Entfernung vom Atomzentrum bis zum äußeren Rand der Elektronenwolke darstellt. Diese quantenmechanischen Strukturdiagramme fungieren wie eine Schatzkarte, die die Forscher zu Bereichen des chemischen Raums führt, in denen neue, stabile 2D-Materialien wahrscheinlich existieren. Ihre Analyse ergab 83 potenzielle neue Materialien, die in der Technologiebranche eingesetzt werden könnten, was die Anzahl der bekannten ferroelektrischen Materialien erheblich erhöhen könnte. Vom Computer zum Labortisch Nach der computergestützten Analyse gingen die Forscher einen Schritt weiter. Das UMBC-Team arbeitete mit Ryan Stadel, Peter Zavalij und Efrain Rodriguez von der University of Maryland, College Park (UMD) zusammen, um einige der vorhergesagten Materialien im Labor herzustellen und zu testen. Ihre Arbeiten bestätigten, dass die Vorhersagen der UMBC-Forscher verwendet werden können, um Experimente mit den neuen Materialien zu leiten. „Die Fähigkeit, welche Zusammensetzungen wahrscheinlich stabile, funktionsfähige Materialien bilden, gibt uns einen enormen Vorsprung im Labor“, sagte Bennett. „Es ist so, als hätten wir ein Rezeptbuch für Materialien, die noch nicht hergestellt wurden, was Zeit und Ressourcen spart.“ Diese neuen Materialien könnten in praktischen Anwendungen glänzen und die Elektronikbranche erheblich vorantreiben. Zum Beispiel könnten sie helfen, Speichergeräte zu bauen, die Daten nach dem Abschalten der Stromversorgung speichern, winzige Sensoren, die winzige Mengen bestimmter Substanzen detektieren, oder energieeffiziente Bauteile, die die Akkulaufzeit von Smartphones verlängern. Solche Eigenschaften sind in der gesamten Technologiebranche und der US-Regierung hoch gefragt. Eine aufregende Zukunft der Entdeckung „Ich bin begeistert, weil unsere Arbeit einen erfolgreichen datenorientierten Ansatz zur Entdeckung neuer 2D-Materialien mit vielversprechenden funktionalen Eigenschaften demonstriert, der potenziell die Entwicklung von Elektronikmaterialien der nächsten Generation beschleunigen könnte“, sagte Yan. Als Nächstes werden das Team komplexe Computersimulationen, insbesondere hocheffiziente Dichtefunktionaltheoriemodelle, verwenden, um diese 83 Materialien detaillierter zu untersuchen. Sie werden ihre ferroelektrischen Eigenschaften überprüfen und herausfinden, wie einfach sie hergestellt werden können. Zudem werden sie ihre Zusammenarbeit mit UMD fortsetzen, um die Materialien im Labor zu synthetisieren und ihre besonderen Eigenschaften zu bestätigen und für spezifische Anwendungen anzupassen. Die Forschung ist ein großer Fortschritt und bahnt den Weg für Materialien, die die Art und Weise, wie Ingenieure Elektronik bauen, verändern könnten – von Sensoren für den Militäreinsatz bis hin zu langlebigeren Laptops und Tablets für Studierende unterwegs. Insgesamt bewerten Fachleute diese Entdeckung sehr positiv, da sie die Suche nach neuen 2D-Materialien drastisch beschleunigt und potenziell erhebliche technologische Fortschritte ermöglicht. Die University of Maryland Baltimore County (UMBC) ist bekannt für ihre fortschrittliche Forschung im Bereich Materialwissenschaften, und diese Studie ist ein weiterer Beweis für ihre exzellente Position in diesem wachsenden Wissenschaftsbereich.