Ingineria interfeței limită între materialele 2D și 3D

din

Aceste imagini ale „insulelor” atomilor de aur depuse într-un strat bidimensional de sulfură de molibden au fost produse în două moduri diferite, folosind un microscop electronic cu tunel de scanare (STEM) în noua structură MIT.nano. Prin combinarea datelor în două moduri diferite, cercetătorii au reușit să înțeleagă dispunerea tridimensională a atomilor în care se întâlnesc cele două materiale. Credit: imagine oferită de cercetători

Microscopul cu margini rapide ajută la descoperirea modalităților de verificare a proprietăților electronice ale materialelor atomice subțiri.

În ultimii ani, inginerii au găsit modalități de a modifica proprietățile unor materiale „bidimensionale”, care sunt doar cu unul sau mai mulți atomi mai groși, prin stivuirea a două straturi împreună și rotirea ușoară una față de cealaltă. Acest lucru creează ceea ce este cunoscut sub numele de modele moiré, unde micile deplasări în alinierea atomilor între două foi creează modele la scară mai mare. De asemenea, schimbă modul în care electronii se mișcă prin material, în moduri potențial utile.

Dar pentru aplicații practice, astfel de materiale bidimensionale trebuie la un moment dat să fie conectate la lumea obișnuită a materialelor 3D. O echipă internațională condusă de cu Cercetătorii au venit acum cu o modalitate de a imagina ceea ce se întâmplă în aceste interfețe, până la nivelul atomilor individuali, și de a corela modelele moiré în limita 2D-3D cu modificările rezultate în proprietățile materialului.

Noile descoperiri sunt descrise în jurnal Comunicări despre natură, într-o lucrare a studenților MIT, Kate Reidy și Georgios Varnavides, profesori de știință și inginerie a materialelor Frances Ross, Jim LeBeau și Polina Anikeeva, și alți cinci la MIT, Universitatea Harvard și Universitatea Victoria din Canada.

Sistem de vid ultra înalt de laborator

În laborator, acest sistem de vid ultra înalt a fost utilizat pentru a prepara probe de interfețe de material 2D-3D care au fost apoi studiate în structura microscopului electronic adiacent. Credit: imagine oferită de cercetători

Perechi de materiale bidimensionale precum grafen sau nitrura de bor hexagonală poate prezenta variații uimitoare în comportamentul lor atunci când cele două foi sunt pur și simplu răsucite una față de cealaltă. Acest lucru face ca rețelele atomice asemănătoare firelor de pui să formeze modele moiré, tipurile de benzi ciudate și pete care apar uneori când faceți o imagine a unei imagini tipărite sau printr-un ecran de fereastră. În cazul materialelor 2D, „se pare că totul, orice proprietate interesantă a materialelor la care te poți gândi, poți modula sau modifica oarecum răsucind materialele 2D în raport unul cu celălalt”, spune Ross, care este profesor la Ellen Swallow Richards la MIT.

În timp ce aceste perechi 2D au atras atenția științifică din întreaga lume, spune ea, s-au știut puține lucruri despre ceea ce se întâmplă atunci când materialele 2D întâlnesc un 3D solid. „Ce ne-a interesat de acest subiect”, spune Ross, a fost „ce se întâmplă atunci când un material 2D și un material 3D se reunesc. În primul rând, cum măsurați pozițiile atomice și în apropierea interfeței? În al doilea rând, care sunt diferențele între o interfață 3D-2D și o 2D-2D? Și în al treilea rând, cum o puteți controla – există o modalitate de a proiecta intenționat structura interfeței pentru a produce proprietățile dorite?

Înțelegerea exactă a ceea ce se întâmplă în astfel de interfețe 2D-3D a fost o provocare descurajantă, deoarece microscopii electronici produc o imagine de eșantion în proiecție și au o capacitate limitată de a extrage informațiile detaliate necesare pentru a analiza detaliile structurii interfeței. Dar echipa a descoperit un set de algoritmi care le-a permis să extrapoleze din imagini eșantion, care arată oarecum ca un set de umbre suprapuse, pentru a afla ce configurație a straturilor stivuite ar da acea „umbră” complexă.

Echipa a folosit două microscopuri electronice de transmisie unice la MIT care permit o combinație de capabilități de neegalat în lume. Într-unul dintre aceste instrumente, un microscop este conectat direct la un sistem de fabricație, astfel încât probele să poată fi produse local prin procesele de depunere și introduse imediat în sistemul de imagistică. Aceasta este una dintre puținele astfel de facilități din întreaga lume, care utilizează un sistem de vid ultra-înalt care previne chiar și cea mai fină murdărie din contaminarea probelor în timp ce se pregătește interfața 2D-3D. Al doilea instrument este un microscop electronic cu transmisie de scanare găzduit în noua facilitate de cercetare a MIT, MIT.nano. Acest microscop are o durabilitate excepțională pentru imagini de înaltă rezoluție, precum și numeroase moduri de imagine pentru colectarea informațiilor despre probă.

Spre deosebire de materialele 2D stivuite, ale căror orientări pot fi schimbate relativ ușor prin simpla luare a unui strat, răsucirea acestuia ușoară și punerea la loc, legăturile care țin materialele 3D împreună sunt mult mai puternice, astfel încât echipa a trebuit să dezvolte noi modalități de a obțineți un strat de straturi. Pentru a face acest lucru, au adăugat material 3D la materialul 2D la vid foarte mare, selectând condiții de creștere în care straturile s-au auto-asamblat într-o orientare reproductibilă cu grade specifice de rotație. „A trebuit să creăm o structură care să se alinieze într-un anumit fel”, spune Reidy.

Odată ce au crescut materialele, au trebuit să-și dea seama cum să descopere configurațiile și orientările atomice ale diferitelor straturi. Un microscop electronic cu transmisie de scanare produce de fapt mai multe informații decât este vizibilă într-o imagine plană; de fapt, fiecare punct din imagine conține detalii ale căilor de-a lungul cărora au sosit și au plecat electronii (procesul de difracție), precum și orice energie pe care electronii a pierdut-o în timpul procesului. Toate aceste date pot fi partajate astfel încât informațiile din toate punctele unei imagini să poată fi utilizate pentru a descifra structura solidă actuală. Acest proces este posibil doar pentru cele mai recente microscopuri, cum ar fi cel de la MIT.nano, care generează o sondă electronică extrem de îngustă și precisă.

Cercetătorii au folosit o combinație de tehnici numite 4D STEM și contrast de fază diferențială integrată pentru a realiza acel proces de extragere a structurii complete de la interfață din imagine. Apoi, spune Varnavides, ei au întrebat: „Acum că putem imagina structura completă din interfață, ce înseamnă acest lucru pentru înțelegerea noastră a proprietăților acestei interfețe?” Cercetătorii au arătat prin modelare că se așteaptă ca proprietățile electronice să fie modificate într-un mod care poate fi înțeles numai dacă structura completă a interfeței este inclusă în teoria fizică. „Ceea ce am constatat este că într-adevăr acest teanc, modul în care atomii se acumulează din plan, modulează proprietățile electronice și densitatea de încărcare”, spune el.

Ross spune că descoperirile pot ajuta la îmbunătățirea tipurilor de joncțiuni în unele microcipuri, de exemplu. „Fiecare material 2D utilizat într-un dispozitiv trebuie să existe în lumea 3D și, prin urmare, trebuie să existe un fel de intersecție cu materialul tridimensional”, spune ea. Deci, cu această mai bună înțelegere a acelor noi interfețe și modalități de a le studia în acțiune, „suntem într-o poziție mai bună de a crea structuri cu proprietăți dorite într-un fel planificat, mai degrabă decât ad-hoc”.

„Prezenta lucrare deschide un domeniu în sine, permițând aplicarea acestei metodologii pe linia de cercetare în creștere a ingineriei moiré, foarte importantă în domenii precum fizica cuantică sau chiar în cataliză”, spune Jordi Arbiol de la Institutul catalan de nanoștiință și Nanotehnologia în Spania, care nu a fost legată de această lucrare.

„Metodologia utilizată are potențialul de a explica modele locale de frecare prin difracție care modulează impulsul electronic local”, spune el, adăugând că „metodologia și cercetările prezentate aici au un viitor extraordinar și un interes ridicat pentru comunitatea științifică a materialelor”.

Referințe: „Imagine directă și modulare a structurii electronice a superrețelelor moiré în interfață 2D / 3D” de Kate Reidy, Georgios Varnavides, Joachim Dahl Thomsen, Abinash Kumar, Thang Pham, Arthur M. Blackburn, Polina Anikeeva, Prineha Narang, James M. LeBeau și Frances M. Ross, 26 februarie 2021, Comunicări despre natură.
DOI: 10.1038 / s41467-021-21363-5

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Forțele evolutive competitive conduc la evoluția rapidă a Salamander Color

Salamandrele patate sunt o specie răspândită în estul Statelor Unite, care se întorc în iazuri temporare în primăvară pentru a se reproduce. Credit:...

Ce dezvăluie un râu glaciar deasupra stratului de gheață din Groenlanda și creșterea globală a nivelului mării

La marginea stratului de gheață din Groenlanda, unde ghețarii se topesc constant, apa curge peste tot printr-un sistem complicat de lacuri și cursuri de...

Orientările privind distanța fizică trebuie actualizate pentru a reflecta noi științe

De Universitatea Northwestern 12 aprilie 2021 Dr. Robert Murphy a spus că ar trebui să putem merge pe trei picioare. Dr. Robert Murphy, director executiv al Institutului...

Lupii cenușii s-au adaptat perioadei de hrănire și au dispărut din era glaciară

Lupii cenușii călăresc cai în mediul de stepă mamut din Beringia în timpul Pleistocenului (acum aproximativ 25.000 de ani). Credit: Julius Tsotonii Lupii cenușii...

Codul de optimizare crește performanța de 5 ori

Tehnologia dezvoltată printr-o colaborare condusă de KAUST cu Intel, Microsoft și Universitatea din Washington poate crește dramatic viteza de învățare automată în sistemele de...

Newsletter

Subscribe to stay updated.