Graphenveränderung durch Wasser und Sauerstoff

06.12.2019 - Korea, Rep.

Wir stellen oft fest, dass Lebensmittel faul werden, wenn wir sie lange draußen lassen, und Früchte werden braun, nachdem sie geschält oder geschnitten wurden. Solche Phänomene sind in unserem täglichen Leben leicht zu erkennen und veranschaulichen die Oxidationsreaktion. Das grundlegende Prinzip, das die physikalischen Eigenschaften von zweidimensionalen Materialien steuert, die als Materialien der nächsten Generation wie Graphen bezeichnet werden, stellt eine Redoxreaktion dar.

Das Forschungsteam bestand aus Professor Sunmin Ryu, Kwanghee Park, und Haneul Kang, der dem Department of Chemistry, POSTECH, angegliedert ist, entdeckte, dass die Dotierung zweidimensionaler Materialien mit Ladungszufluss von außen in der Luft durch eine elektrochemische Reaktion erfolgt, die von den Redoxpaaren von Wasser- und Sauerstoffmolekülen angetrieben wird. Mit Hilfe von Echtzeit-Photolumineszenz-Bildgebung beobachteten sie die elektrochemische Redoxreaktion zwischen Wolframdisulfid und Sauerstoff/Wasser in der Luft. Gemäß ihrer Studie kann die Redoxreaktion die physikalischen Eigenschaften von zweidimensionalen Materialien steuern, die auf biegsame Bildelemente, Hochgeschwindigkeitstransistoren, Batterien der nächsten Generation, ultraleichte Materialien und andere zweidimensionale Halbleiteranwendungen angewendet werden können.

Zweidimensionale Materialien wie Graphen und Wolframdisulfid liegen in Form von einzelnen oder wenigen Schichten von Atomen in Nanometergröße vor. Sie sind dünn und leicht zu biegen, aber hart. Aufgrund dieser Eigenschaften werden sie in Halbleitern, Displays, Solarzellen und mehr eingesetzt und gelten als Traummaterial. Da jedoch alle Atome auf der Oberfläche eines Materials vorhanden sind, beschränken sie sich auf die Umgebungsumgebung wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, die sie oft modifizieren oder transformieren. Bevor das Forschungsteam über das Ergebnis seiner Studie berichtete, war es unbekannt, warum ein solches Phänomen auftritt und schwierig zu kommerzialisieren war, da es nicht in der Lage war, die Materialeigenschaften zu kontrollieren.

Das Forschungsteam verwendete Echtzeit-Photolumineszenz-Bildgebung von Wolframdisulfid und Ramanspektroskopie von Graphen. Sie zeigten molekulare Diffusion durch den zweidimensionalen nanoskopischen Raum zwischen zweidimensionalen Materialien und hydrophilen Substraten. Sie entdeckten auch, dass es genügend Wasser gab, um die Redoxreaktionen im Raum zu vermitteln. Darüber hinaus bewiesen sie, dass Ladungsdotierung in der Säure, wie z.B. Salzsäure, in gleicher Weise auch von gelöstem Sauerstoff und der Wasserstoff-Ionen-Konzentration (pH) bestimmt wird.

Was sie in dieser Forschung erreicht haben, ist das Grundprinzip, das zur Regelung der elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften von zweidimensionalen oder anderen niederdimensionalen Materialien erforderlich ist. Es wird erwartet, dass dieses Verfahren zur Verbesserung der Vorbehandlung eingesetzt werden kann, die erforderlich ist, um zu verhindern, dass zweidimensionale Materialien durch die Umgebung und die Nachbehandlungstechnologie modifiziert werden, wie z.B. die Verkapselung für flexible und dehnbare Displays.

Professor Sunmin Ryu sagte: "Mit Hilfe der Echtzeit-Photolumineszenz konnten wir zeigen, dass die elektrochemische Reaktion, die durch die Redox-Paare von Sauerstoff- und Wassermolekülen in der Luft ausgelöst wird, der Schlüssel ist und das Grundprinzip für die Steuerung der Eigenschaften von Materialien darstellt. Diese Reaktion wird nicht nur auf zweidimensionale Materialien, sondern auch auf andere niederdimensionale Materialien wie Quantenpunkt und Nanodrähte angewendet. Unsere Ergebnisse werden daher ein wichtiger Schritt zur Entwicklung der Nanotechnologie auf der Basis niedrigdimensionaler Materialien sein."

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