2D materials beyond graphene

Todimensjonale (2D) materialer representerer en ny klasse funksjonelle materialer som kan utnyttes for miniatyrisering av elektroniske og elektrokjemiske teknologier. Teknologi basert på 2D materialer kan utnytte materialets intrinsiske dimensjoner på kun noen få atomlag for å forbedre ytelse i form av energieffektivitet og energitetthet. For eksempel kan disse materialene bane vei for elektrokjemiske superkondensatorer med energitettheter som nærmer seg Li-ion batterier. 2D materialer kan også benyttes i helt nye transistor arkitekturer. Prosjektet har satt søkelys på fundamental forståelse av defekter og grenseflater i materialene, som også påvirker de funksjonelle egenskapene. Defektene av interesse inkluderte ladede punktdefekter og viktige grenseflater (overflate, kant og substrat). Molybdensulfid og -oksid (MoS2 og MoOx) 2D-filmer ble fremstilt ved en nyutviklet metode basert på sputterdeponering av molybden på silisiumbaserte substrater og etterbehandling i hydrogensulfid og oksygenholdig atmosfærer (H2S og O2/H2O). Fremstillingsprosedyren ble optimalisert basert på en rekke strukturelle og spektroskopiske karakteriseringsmetoder. MoS2 filmene viste imidlertid vertikal vekst fremfor dannelse av 2D film, og planlagt elektrisk karakterisering var derfor ikke mulig. Videre eksperimentelt arbeid fokuserte på direkte målinger av interaksjonen mellom 2D materialer ved bruk av en AFM-tip belagt med grafén-oksid. Elektronmikroskopi viste at AFM-tip var dekket av kun 6-7 monolog med grafén-oksid. Interaksjonsenergien mellom grafén-oksid og MoS2 og h-BN ble målt som funksjon av temperatur, og effekten av termisk induserte bølger i 2D materialene ble rapportert for første gang. 2D materialene ble også fremstilt som frittstående membraner for å forstå innvirkningen av substratet på interaksjonsenergiene. Atomistisk modellering fokusert på beregninger av ladede punktdefekter i MoS2, samt indium og gallium sulfider og selenider (InSe, GaSe og GaS). Strukturen og dannelsesenergiene til ulike defekter ble beregnet, inkludert vakanser og protoner assosiert med svovel i MoS2. Videre ble grenseflatestrukturen mellom grafénoksid og jernoksid (Fe2O3) modellert med fokus på dannelse av kjemiske bindinger mellom materialene, elektronisk struktur, og adsorpsjon av vann som hydroksid og proton species. Prosjektet ble ledet av SINTEF med partnere fra Universitetet i Oslo (PhD), Universitetet i Luxembourg (postdoc) og EPFL (masterstudent).

Prosjektet har gitt betydelig kompetanseutvikling for de norske miljøene og etablert internasjonalt samarbeid. Som et Unge forskertalenter prosjekt, har prosjektet bidratt til betydelig karriereutvikling for prosjektleder (J.M. Polfus), som ila prosjektperioden har gjennomført et forskningsopphold ved Massachusetts Institute of Technology (MIT, USA) og blitt ansatt i fast stilling som førsteamanuensis ved Universitetet i Oslo. Den vitenskapelige tematikken i prosjektet er fundamental og nytteverdiene av resultatene vil hovedsakelig knyttes til økt kunnskap og publisering i faglige tidsskrift. Prosjektet har videre bidratt til utdanning av en PhD kandidat og en MSc student innen kjemi og materialvitenskap. Resultatene og arbeidet i prosjektet har også ført til nye idéer som følges gjennom andre prosjekter og MSc oppgaver.

Two-dimensional (2D) materials are emerging as a novel class of functional materials for the miniaturization of electronic and electrochemical devices. They pave the way for electrochemical capacitors with energy densities approaching that of Li-ion batteries due to stacking efficiency, photovoltaic devices with strong light matter interactions and novel transistor architectures - technology that would represent a significant breakthrough for renewable energy storage and conversion. The project seeks fundamental understanding of the defect chemistry and functional properties of 2D materials, encompassing charged point defects as well as clusters in the material and at its highly influential interfaces (surface, edge, inter-layer and substrate). The project builds upon a fabrication procedure recently demonstrated by the applicants for 2D MoS2, involving PVD techniques and post treatment in H2S at elevated temperature. MoS2 and Ga2S2 will serve as model systems, and other 2D materials and ultra thin films will be pursued, e.g., WSe2, MnO2, TiOxNy. First-principles calculations will be combined with advanced characterization of the prepared 2D films to elucidate the defect chemistry of the materials, including charge compensation mechanisms for intrinsic and extrinsic defects in the material and interfaces. An electrical characterization setup for 2D films under controlled temperature and atmosphere will be developed. 2D heterostucture devices will be constructed to demonstrate application properties. The project will be managed by SINTEF with partners at University of Oslo and University of Luxembourg (transnational funding with FNR) and educate 2 PhD candidates in Norway and Luxembourg. International collaboration plays an important role in the project with participation of 2D research groups at The University of Illinois (US) and EPFL (CH), as well as collaborative and advisory roles from The University of Manchester (UK) and planarTECH LLC (US).