Rozedrgane materiały 2D
Dwuwarstwowy film WS2 (kolor niebieski to atomy wolframu, żółty — atomy siarki)
Dwuwymiarowe materiały warstwowe cieszą się coraz większym zainteresowaniem naukowców z całego świata z powodu atrakcyjności ich właściwości fizycznych, które można dodatkowo ulepszać pod kątem pożądanych zastosowań. Jednym z kluczowych parametrów w takich materiałach jest — określona przez liczbę warstw — grubość, która ma wpływ na wszelkie właściwości fizyczne materiału. W swoich badaniach pochylił się nad zagadnieniami z nią związanymi mgr inż. Konrad Wilczyński wraz z zespołem z Zakładu Badań Strukturalnych.
W pracy Phonon anharmonicity in multi-layered WS2 explored by first-principles and Raman studies zbadano wpływ liczby warstw na oscylacje atomów sieci krystalicznej na przykładzie dwusiarczku wolframu z uwzględnieniem anharmoniczności oddziaływań między atomami, które prowadzą m.in. do zależności częstotliwości drgań od amplitudy, wzajemnego oddziaływania wzbudzonych drgań, oraz rozszerzalności termicznej kryształu. Ponadto przeanalizowano podatność drgań w WS2 o różnej liczbie warstw na efekty wywołane obecnością podłoża pod materiałem — naprężenia oraz transfer ładunku elektrycznego.
Ciepło, cieplej…
Dzięki realizowanym badaniom możliwe jest głębsze zrozumienie propagacji drgań sieci krystalicznej w wielowarstwowych materiałach 2D, która jest kluczowym mechanizmem odpowiadającym za przewodzenie ciepła w tych materiałach. Jest to interesujące nie tylko z punktu widzenia badań podstawowych, ale również z uwagi na możliwość inżynierii materiałów o żądanym przewodnictwie cieplnym. Przyszłe projektowanie takich materiałów może pomóc rozwiązać powszechny problem generacji ciepła i konieczności jego odprowadzania w urządzeniach elektronicznych.
Dogłębne zrozumienie propagacji drgań atomów sieci krystalicznej może dodatkowo wzbogacić przyszłe badania spektroskopowe materiałów 2D poddawanych rozmaitym modyfikacjom, np. strukturalnym.
Udoskonalone podejście
W ramach prac zespół badawczy z Wydziału Fizyki PW zastosował kombinację dwóch technik: eksperymentalnej — polegającej na pomiarach spektroskopowych częstotliwości i czasu życia drgań sieci krystalicznej w funkcji temperatury — oraz teoretycznej — bazującej na symulacjach wspomnianych parametrów z pierwszych zasad w ramach teorii funkcjonału gęstości (DFT).
To istotny postęp w porównaniu z dotychczasowymi badaniami dla podobnych materiałów 2D. Większość opublikowanych prac uwzględnia bowiem wyłącznie podejście eksperymentalne i ogranicza się do analizy statystycznej zmierzonych zależności, znacznie zubożając wyciągane wnioski. Tymczasem uwzględnienie modelu teoretycznego, zgodnego z dostępnymi danymi eksperymentalnymi, pozwala zidentyfikować i odróżnić od siebie wszelkie zjawiska obecne w materiale, dając wgląd do jego mikroskopowej struktury.
Wnioski
Badania pod kierownictwem mgr. inż. Konrada Wilczyńskiego pozwoliły na opracowanie modeli drgań sieci krystalicznej w WS2 o różnej liczbie warstw, weryfikację ich dokładności i wykorzystanie do wyciągnięcia wniosków dotyczących przyczyn obserwowanych zależności temperaturowych głównych rodzajów drgań. Stwierdzono m.in., że drgania równoległe i prostopadłe do warstwy zależą od liczby warstw w materiale, a także zupełnie inaczej oddziałują z podłożem.
Opublikowana w czasopiśmie Acta Materialia (IF=9.2) praca jest punktem wyjścia dla kolejnych badań nad anharmonicznością drgań w materiałach 2D, uwzględniających bardziej wnikliwą analizę efektów wywołanych obecnością podłoża pod materiałem, a także dla coraz popularniejszych heterostruktur („kanapek”) materiałów 2D z nienaturalnym ułożeniem warstw (np. ze wzajemnymi obrotami między warstwami).
