Een instrumentfout kan leiden tot een volledige verkeerde identificatie van bepaalde kristallen, meldt een KAUST-studie die suggereert dat onderzoekers voorzichtig moeten zijn bij het gebruik van elektronenmicroscopen om tweedimensionale (2-D) halfgeleiders te onderzoeken.

2-D overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) worden gebruikt voor nieuwe elektronische apparaten omdat ze in verschillende kristalfasen kunnen voorkomen met eigenschappen variërend van halfgeleidend tot metallisch. Onderzoekers gebruiken meerdere tools om de structuur-eigenschaprelaties in verschillende TMD-fasen te ontrafelen, maar een van de meest kritische is de scanning transmissie-elektronenmicroscoop. Dit instrument kan zowel atomen op oppervlakken oplossen als ze chemisch identificeren met behulp van variaties in beeldcontrast.

Areej Aljarb, een materiaalwetenschapper die werkt in de groep van Vincent Tung bij KAUST, karakteriseerde onlangs TMD's gemaakt van molybdeendisulfide (MoS ₂ ) toen ze iets verontrustends zag. Hoewel de eerste spectroscopische analyse aantoonde dat ze halfgeleidende 2D-films had gemaakt, de transmissie-elektronenmicroscoopbeelden gaven aan dat MoS ₂ was gerangschikt in een metallische kristalfase.

Om dit verschil op te lossen, riep het team de hulp in van Sergei Lopatin, een expert in microscopie. Samen, ze merkten dat de elektronenstralen die uit hun ultramoderne instrumenten kwamen, ongebruikelijke intensiteitspatronen hadden wanneer ze in contact kwamen met het TMD-oppervlak. In plaats van de verwachte bolvormen, de intensiteitsprofielen van de straal leken driehoekig. "Dit was een duidelijk bewijs van een beeldfocusprobleem dat bekend staat als astigmatisme, " merkt Lopatin op.

De lenzen die worden gebruikt om elektronenmicroscoopbundels scherp te stellen, bevatten altijd kleine onvolkomenheden die beelden kunnen vervagen, vooral bij resoluties op atomaire schaal. Het team realiseerde zich dat de waargenomen astigmatische effecten van invloed kunnen zijn op het contrast van atomen die op het oppervlak verschijnen. Door computersimulaties van de MoS . te correleren ₂ oppervlak met experimentele microscopie, ze zagen verschillende gevallen waarin kristalfasen verkeerd konden worden geïdentificeerd doordat zwavelatomen van uiterlijk veranderden - en zelfs verdwenen - tijdens beeldvorming.

"Atomair contrast kan een krachtig hulpmiddel zijn om kristalfasen af ​​te leiden, maar deze artefacten tasten de fundamenten van dergelijke voorspellingen aan, "zegt Tung. "Het verhoogt de mogelijkheid dat er al veel foto's zijn gemaakt van 2-D TMD's die nadelig zijn beïnvloed door astigmatisme."

Experimenten op andere 2D-oppervlakken, inclusief grafeen, bevestigd dat valse fasen kunnen worden waargenomen in een reeks materialen. De onderzoekers toonden aan dat deze effecten kunnen worden verzacht door bundels te gebruiken waarin de elektronen bijna allemaal energetisch equivalent zijn.

"Scantransmissie-elektronenmicroscopie is van onschatbare waarde bij het afbeelden van de kristalstructuur van 2D-materialen; we moeten op de hoogte zijn van beeldvormingsartefacten, omdat het negeren ervan kan leiden tot wetenschappelijk onjuiste beweringen, ' zegt Aljarb.

De studie is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .