Spectroscopic study of chemically modified low-dimensional materials  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
125063
Type FK
Principal investigator Pekker, Áron
Title in Hungarian Alacsonydimenziós anyagok kémiai módosítása és spektroszkópiája
Title in English Spectroscopic study of chemically modified low-dimensional materials
Keywords in Hungarian spektroszkópia, szén nanocső, bórnitrid nanocső, grafén, átmenetifém kalkogenid, kémiai módosítás
Keywords in English spectroscopy, carbon nanotubes, boron nitride nanotubes, graphene, transition metal chalcogenides
Discipline
Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)80 %
Ortelius classification: Solid state physics
Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences)20 %
Ortelius classification: Nanotechnology
Panel Physics 1
Department or equivalent Experimental Solid State Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants Datz, Dániel
Kamarás, Katalin
Kováts, Éva
Németh, Gergely
Starting date 2017-09-01
Closing date 2022-08-31
Funding (in million HUF) 20.729
FTE (full time equivalent) 10.20
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás során kémiailag módosított alacsonydimenziós anyagok elektronszerkezetében végbemenő változásokat tervezünk vizsgálni. A projekt alapkutatás jellegű, de az alkalmazások számára is fontos eredményeket hozhat. A szén illetve bórnitrid nanocsövek, a grafén és legújabban a kétdimenziós átmenetifém-kalkogenidek a nanoszerkezetek kutatásának előterében állnak világszerte. Habár ezek az anyagok kivételes tulajdonságokkal rendelkeznek, az alkalmazások felé a kémiai módosításukkal nyílhat meg az út. Ahhoz azonban, hogy megértsük a kémiai módosítások hatását és képesek legyünk az igények szerint módosítani az anyagok tulajdonságait, szisztematikus vizsgálat alá kell vetnünk őket mind a makro, mind a mikro és nano mérettartományban. Ez a pályázat az ilyen minták kémiai módosítását és jellemzését tűzi ki célul. Az általános spektroszkópiai módszereken túl közeliterű infravörös mikroszkópia használatát tervezzük, ami képes a minták infravörös válaszát 20 nm-es térbeli felbontással vizsgálni. Külföldi együttműködő partnereink egyéb mérési technikákkal tudják kiegészíteni a munkánkat. A különböző vizsgálati módszerek eredményeit kombinálva többet megtudhatunk a módosított anyagok elektronszerkezetéről és viselkedéséről.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A projekt célja a kémiailag módosított alacsonydimenziós anyagok vizsgálata. A mintáinkat makro, mikro és nano mérettartományban is tervezzük vizsgálni, hogy jobban megértsük a kémiai módosítás folyamatát és hatását az anyagok tulajdonságaira. Tervezzük vizsgálni a funkciós csoportok eloszlását különböző funkcionalizáltsági fok esetén. Kíváncsiak vagyunk az elektronszerkezetben történő változások felületi eloszlására, és az egymástól különálló funkcionalizált területek közötti esetleges kapcsolatra. Keressük a lehetőségét, hogy tiltott sávot nyissunk a grafénben illetve fémes tulajdonsággal ruházzuk fel az átmenetifém-kalkogenideket makro és nano méretskálán. A nanocső töltés módszerével a különböző töltési módszerek hatékonyságát fogjuk vizsgálni a szén és a bór-nitrid nanocsövek esetén. Keressük a legjobb nanocső, molekula és töltési módszer kombinációt. Közeliterű infravörös mikroszkópiával tervezzük vizsgálni a nanocsőbe töltött molekulákat. A töltött nanocsövekben végbemenő kémiai reakciókat spektroszkópiai módszerekkel követjük. A projekt alapkutatás jellege miatt a munka során a felsoroltakon kívüli érdekes kérdések is felmerülhetnek. A célunk a minták szisztematikus vizsgálatával és a mérési módszerek kombinációjával a tudományterület ismeretanyagát gyarapítani.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A szén és bórnitrid nanocsövek egyedi szerkezettel rendelkeznek. Ezen nanoméretű üregeket többféle módon tudjuk kihasználni. Megfelelő molekulák beletöltésével a nanocsöveket új tulajdonságokkal ruházhatjuk fel, mint fotolumineszcencia vagy mágnesesség. Egy másik érdekes terület a töltött nanocsövek belsejében végbemenő kémiai reakciók vizsgálata. Egy ilyen kis üregben a reakciók valószínűleg sajátos módon mennek végbe. A töltött nanocsövek oldalfalának módosításával megvizsgálhatjuk a nanocsövek külsején elhelyezkedő oldalcsoportok és a nanocsőbe töltött molekulák közötti kölcsönhatás lehetőségét. Ez egy még nem lezárt terület, aminek a feléderítéséhez a project eredményeivel mi is hozzájárulhatunk.
A kétdimenziós szerkezetek, mint a grafén és az egyrétegű átmenetifém-kalkogenidek a jövő elektronikai vagy spintronikai eszközeinek építőelemei lehetnek. Ugyan kiváló tulajdonságokkal rendelkeznek, de ahhoz hogy eszközökbe tudjuk beépíteni őket, módosításokra van szükség. Az anyagokat sokféleképpen módosíthatjuk: kovalens kötéssel oldalcsoportokat köthetünk rájuk vagy kis molekulákat vihetünk fel a felületükre. Számunkra minden esetben a módosítás elektronszerkezetre gyakorolt hatása érdekes. A tudás, amit a módosított anyagok vizsgálatából szerezhetünk, elősegítheti ezen anyagok tulajdonságainak tervezett módosítását, mint páldául tiltott sáv létrehozása, vagy a kontakt ellenállás csökkentése.
Ezen a területen számos kiváló kutatócsoport dolgozik szerte a világban. A mi előnyünk a vizsgálati módszerek megfelelő kombinációja és a projekt résztvevőinek a nanoanyagok kémiájáról és fizikájáról szerzett sokéves tapasztalata.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Legyen az még gyorsabb számítógép, jobb napelem vagy új vizsgálati módszer a gyógyászatban, a technológiai újításokat mindig tudományos kutatások előzik meg. Az anyagtudomány és technológia egy olyan terület, ahol a vegyészet, a fizika és a mérnöki tudományok együtesen alkotják meg a jövő anyagait. Azonban az új anyagok felfedezésétől az igazi felhasználásig hosszú az út. Habár ezek az anyagok egyedi tulajdonságokkal bírnak ahhoz, hogy az alkalmazások speciális igényeinek megfeleljenek, módosítanunk kell őket. A mi kutatásunk különleges anyagok kémiai módosításával foglalkozik. Ezen anyagok különlegessége a méretükben rejlik. A nanocsövek kis csőszerű szerkezetek, amiknek az átmérője az emberi hajszál százezred része. Akárcsak egy szokásos cső, a nanocsövek is üregesek. Ezek az üregek más molekulákkal megtölthetők, amitől a nanocsöveknek érdekes tulajdonságuk lehet. Vannak más különleges anyagok, amiknek a vastagsága csak néhány atomnyi. Ezek az anyagok egészen egyedi tulajdonságokkal rendelkeznek, amiket az elektronikában lehet felhasználni. Ahhoz hogy belőlük készüljön el a jövő mikroprocesszora, a felületüket egy kicsit meg kell változtatnunk. A kutatásunk során azt fogjuk tisztázni, hogy ezek a változtatások pontosan hogyan történnek. Az eredményeink elősegíthetik ezeknek az anyagoknak igazi eszközökben való felhasználását.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
We propose spectroscopic investigation of the effect of chemical modification on the properties of low-dimensional materials. The project is curiosity-driven basic research with an outlook for applications. Carbon nanotubes, boron nitride nanotubes, graphene and most recently two-dimensional transition metal dichalcogenides attracted the attention of the research community. While they already possess unique features, their chemical modification can open up new paths leading to new applications. To design modified structures with tailored properties we need to understand the changes due to chemical modification on the macro, micro and nanoscale. The principal idea of the project is to chemically modify and characterize these materials. In addition to regular spectroscopic tools, scattering type nearfield infrared microscopy will be employed. This method can measure infrared response with 20nm spatial resolution. Our international collaborators can provide us complementary measurements. Combination of different characterization techniques will provide us further insight into the electronic structure of the modified materials.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The aim of the project is to characterize the chemical modification processes of low dimensional materials. We are planning to use macroscopic, microscopic and nanoscopic tools to get a deeper insight into the properties of the chemical process and the changes induced by the modification. We are planning to investigate the distribution of the functional groups on the surface at different degree of functionalization. We are interested in uniformity of the changes in the electronic structure on the nanoscale. We are going to investigate the possible interplay between neighboring functional groups or functionalized regions. We are interested in the possibility to open a bandgap in graphene or induce metallicity in the transition metal dichalcogenides by chemical functionalization on the macro- and nanoscale. We are going to determine the filling ratio in case of different filling methods for carbon and boron nitride nanotubes. We are looking for the best combination of host, guest and method. We are planning to probe locally the molecules inside the nanotube by nearfield microscopy. We will follow chemical reactions inside the nanotubes. Due to the basic-research nature, other interesting questions might appear during the project. Our goal is to widen the knowledge on this field by a systematic study of the samples with a combination of different investigation techniques.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Carbon and boron nitride nanotubes possess unique structures. They have a nanosized cavity which can be utilized in many ways. By filling them with molecules we can give the nanotubes new properties, like photoluminescence, magnetism etc. Another interesting topic is the posibility of chemical reactions inside the nanotube. In such a confined space reactions can take different pathways. By the combination of filling and sidewall functionalization we can explore the possibilities of interacting fillers and functional groups. The investigation of these questions is still an ongoing process where we can contribute.
Two-dimensional structures like graphene and single-layer transition metal dichacogenides are proposed to be the building blocks of new generation electronics or spintronics. Although they show promising characteristics these materials needs to be modified to be able to incorporate them in devices. There are various ways of modification: covalent attachment of functional groups or small molecules adsorbed on the surface. We are interested in the changes of the electronic structure due to the modification. The knowledge we gain form this study can help us to understand how to tailor material properties like opening a bandgap or lowering the contact resistance.
This field is intensively studied by many excellent research groups around the world. Our advantage is the right combination of characterization techniques and scientific background in the chemistry and physics of nanomaterials.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Even faster computers, better solar cells or new diagnostic methods, the revolutions in technology were always driven by scientific research. Materials science and engineering is the interdisciplinary field where chemistry, physics and engineering together create the new materials for the future. However, there is a long way from the discovery of a promising new material to their use in real life applications. Although these materials show unique features, the majority of the applications require tailored properties for their specific needs. In our project we are working on the chemical modification of some special materials. The unique character of these materials lies in their size. Nanotubes are small tube-like structures with their diameter a hundred thousand times smaller than a human hair. They are hollow - like regular tubes - and can be filled with small molecules to create new systems with interesting features. There are other special materials which are only a few atoms thick. They show quite remarkable electronic properties. To be able to create the future microprocessors based on these materials, we have to make some changes to their surface. In this project we try to clarify what is really happening to the materials during the modifications. Our results might open the way for these materials to be incorporated in real devices.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projekt négy éve alatt különböző alacsonydimenziós anyag tulajdonságait vizsgáltuk elsősorban spektroszkópiai módszerekkel. Az anyagok egy részét módosítottuk, illetve a segítségükkel hoztunk létre más alacsonydimenziós rendszereket. Szén és bór-nitrid nanocsövek belső kvázi egydimenziós üregét töltöttük meg kis molekulákkal amik külső hatásra (fény, hő) reakcióba léptek egymással. A keletkező anyag tulajdonságai az üreg jelentette korlátok miatt eltérnek a megszokottól. A kutatásaink során megvizsgáltuk a lehetséges nanocső töltési módszerek tulajdonságait, új molekulákkal bővítettük a nanocsőbe töltött anyagok listáját. Létrehoztunk szén és bor-nitrid nanocsővekben grafén nanoszallagkat. Infravörös közeltér mikroszkópiával vizsgáltunk szén nanocsövekben fémes klasztereket, bór-nitrid nanocsövekban fulleréneket és fotopolimerizációjukat. Kihasználva a bór-nitrid nanocsövek fonon-polaritonjának erősítő hatását sikerült közeltér mikroszkópiával igen csekély számú molekula spektrális jelét detektálni. Vizsgáltuk a szén nanocsövek egyedi Luttinger plazmonjainak csatolását a szubsztrát fononjaihoz, kimutattuk az ultraerős csatolás jelenlétét. Más csoportokkal kooperációban vizsgáltuk átmenetifém kalkogenidek katalitikus tulajdonságait, illetve a Jacutingaite réteges anyag kvantum spin Hall szigetelő tulajdonságait.
Results in English
During the four years of the project we have investigated various low dimensional materials. We have utilized mainly spectroscopic techniques. We modified some of these materials or created new ones with their help. In case of carbon and boron-nitride nanotubes (CNT, BNNT), we have filled the quasi one-dimensional cavity with small molecules. By external stimuli (heat, light) these molecules can react with each other. Due to the constrains of the cavity the reactions can yield different products. We have investigated different filling methods, filled the nanotubes with unreported new molecules. We successfully synthetized graphene nanoribbons in CNTs and BNNTs. With near-field infrared microscopy we detected metallic Ni clusters inside CNTs. By utilizing the enhancement effect of the phonon-polaritons of BNNTs we were able to detect a small number of fullerenes and follow their photo induced reactions inside the nanotubes. We have investigated the coupling of Luttinger-plasmons of CNTs with the phonons of different substrates. We showed the coupling strength is in the ultra-strong regime. In cooperation with other groups we have investigated the catalytic properties of transition metal chalcogenides and studied the quantum spin Hall insulator properties of a layered material Jacutingaite.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=125063
Decision
Yes





 

List of publications

  
Németh, G.; Otsuka, K.; Datz, D.; Pekker, Á.; Maruyama, S.; Borondics, F.; Kamarás, K: Direct Visualization of Ultrastrong Coupling between Luttinger-Liquid Plasmons and Phonon Polaritons, Nano Letters, 2022
Cadena, A.; Botka, B.; Pekker, Á.; Tschannen, C. D.; Novotny, L.; Khlobystov, A. N.; Kamarás, K.: Molecular Encapsulation from the Liquid Phase and Graphene Nanoribbon Growth in Carbon Nanotubes, The Journal of Physical Chemistry Letters (submitted 2022.06.30. accepted: 2022.09.28.), 2022
Cadena, A.; Pekker, Á.; Botka, B.; Dodony, E.; Fogarassy, Z.; Pécz, B.; Kamarás, K: Encapsulation of the Graphene Nanoribbon Precursor 1,2,4‐trichlorobenzene in Boron Nitride Nanotubes at Room Temperature, Physica Status Solidi Rapid Research Letters, 2022
Daniel Datz, Gergely Németh, Áron Pekker, Katalin Kamarás: Nano-spectroscopy of phonon-polariton modes in boron nitride nanostructures, International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials 2018, 2018
Gergely Nemeth, Daniel Datz, Aron Pekker, Takeshi Saito, Oleg Domanov, Hidetsugu Shiozawa, Sandor Lenk, Bela Pecz, Pal Koppa, Katalin Kamaras: Near-field optical investigation of Ni clusters inside single-walled carbon nanotubes on the nanometer scale, Physica Status Solidi Rapid Research Letters (submitted), 2018
Gergely Németh, Dániel Datz, Hajnalka Mária Tóháti, Áron Pekker, Keigo Otsuka, Taiki Inoue, Shigeo Maruyama, Katalin Kamarás: Nanoscale Characterization of Individual Horizontally Aligned Single‐Walled Carbon Nanotubes, physica status solidi (b), 2017
Dániel Datz, Gergely Németh, Hajnalka M Tóháti, Áron Pekker, Katalin Kamarás: High-Resolution Nanospectroscopy of Boron Nitride Nanotubes, physica status solidi (b), 2017
Gergely Nemeth, Daniel Datz, Aron Pekker, Takeshi Saito, Oleg Domanov, Hidetsugu Shiozawa, Sandor Lenk, Bela Pecz, Pal Koppa, Katalin Kamaras: Near-field optical investigation of Ni clusters inside single-walled carbon nanotubes on the nanometer scale, RSC Advances (elfogadva), 2019
Daniel Datz, Gergely Németh, Áron Pekker, Katalin Kamarás: Strong interaction between small molecules and boron nitride nanotubes, 48th International School & Conference on the Physics of Semiconductors Jaszowiec 2019, 2019
Ana Cadena, Bea Botka, Edit Székely, Katalin Kamarás: Encapsulation of Sexithiophene Molecules in Single‐Walled Carbon Nanotubes Using Supercritical CO2 at Low Temperature, physica status solidi (b), 2020
Dániel Datz, Gergely Németh, Áron Pekker, Katalin Kamarás: Polaritonic Enhancement of Near-field Scattering of Small Molecules Encapsulated in Boron Nitride Nanotubes, Nanoscale (submitted), 2020
Konrád Kandrai, Péter Vancsó, Gergő Kukucska, János Koltai, György Baranka, Ákos Hoffmann, Áron Pekker, Katalin Kamarás, Zsolt E. Horváth, Anna Vymazalová, Levente Tapasztó, Péter Nemes-Incze: Signature of Large-Gap Quantum Spin Hall State in the Layered Mineral Jacutingaite, Nano Letters, 2020
Jessica C. McGlynn, Torben Dankwort, Lorenz Kienle, Nuno A. G. Bandeira, James P. Fraser, Emma K. Gibson, Irene Cascallana-Matías, Katalin Kamarás, Mark D. Symes, Haralampos N. Miras, Alexey Y. Ganin: The rapid electrochemical activation of MoTe2 for the hydrogen evolution reaction, Nature Communications, 2020
Gábor Bortel, Éva Kováts, Dávid Földes, Emma Jakab, Gábor Durkó, Sándor Pekker: Recognition-Control and Host–Guest Interactions in High-Symmetry Cocrystals of Fullerenes with Cubane and Mesitylene, Crystal Growth & Design, 2020
Mehmet Derya Özeren, Bea Botka, Áron Pekker, Katalin Kamarás: The Role of Potassium in the Segregation of MAPb(Br0.6I0.4)3 Mixed‐Halide Perovskite in Different Environments, physica status solidi RRL, 2020
Gergely Németh, Áron Pekker: New design and calibration method for a tunable single-grating spatial heterodyne spectrometer, Optics Express, 2020
Dániel Datz, Gergely Németh, Kate E Walker, Graham A Rance, Áron Pekker, Andrei N Khlobystov, Katalin Kamarás: Polaritonic Enhancement of Near-Field Scattering of Small Molecules Encapsulated in Boron Nitride Nanotubes: Chemical Reactions in Confined Spaces, ACS Applied Nano Materials, 2021
Ana Cadena, Bea Botka, Katalin Kamarás: Organic molecules encapsulated in single-walled carbon nanotubes, Oxford Open Materials Science, 2021
Gergely Nemeth, Daniel Datz, Aron Pekker, Takeshi Saito, Oleg Domanov, Hidetsugu Shiozawa, Sandor Lenk, Bela Pecz, Pal Koppa, Katalin Kamaras: Near-field optical investigation of Ni clusters inside single-walled carbon nanotubes on the nanometer scale, RSC Advances, 2019



Back »