Tegen deze tijd, het is algemeen bekend dat het verdunnen van een materiaal tot een dikte van één atoom de fysieke eigenschappen van dat materiaal drastisch kan veranderen. grafeen, het bekendste 2D-materiaal, heeft een ongeëvenaarde sterkte en elektrische geleidbaarheid, in tegenstelling tot zijn bulkvorm als grafiet. Onderzoekers zijn begonnen met het bestuderen van honderden andere 2D-materialen voor elektronica, voelen, vroege diagnose van kanker, ontzilting van water en tal van andere toepassingen. Nutsvoorzieningen, een team van Penn State-onderzoekers van de afdeling Natuurkunde en het Center for Two-Dimensional and Layered Materials (2DLM) heeft een snelle, niet-destructieve optische methode voor het analyseren van defecten in tweedimensionale materialen.

"In de halfgeleiderindustrie bijvoorbeeld, defecten zijn belangrijk omdat je eigenschappen kunt beheersen door defecten, " zei Mauricio Terrones, hoogleraar natuurkunde, materiaalwetenschap en techniek en scheikunde, Penn State. "Dit staat bekend als defect engineering. De industrie weet hoe ze defecten moeten beheersen en welke typen goed zijn voor apparaten."

Om echt te begrijpen wat er gaande is in een 2D-materiaal zoals wolfraamdisulfide, die een enkele atoomdikke laag wolfraam heeft, ingeklemd tussen twee atomaire zwavellagen, een krachtige elektronenmicroscoop nodig zou hebben die individuele atomen en de gaten kan zien, vacatures genoemd, waar de atomen ontbreken.

"Het voordeel van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) is dat je een beeld krijgt en direct kunt zien wat er aan de hand is - je krijgt direct bewijs, zei Bernd Kabius, stafwetenschapper bij het Materials Research Institute van Penn State, een expert in TEM en een co-auteur van het artikel dat op 28 april in het online tijdschrift verschijnt wetenschappelijke vooruitgang .

de nadelen, volgens Kabius, zijn een verhoogde kans op schade aan het delicate 2D-materiaal, de complexe voorbereiding van het monster en de benodigde tijd - een hele dag instrumenttijd om een ​​enkel monster af te beelden en een week of meer om de resultaten te interpreteren. Om die redenen, en anderen, onderzoekers willen TEM combineren met een andere methode om naar de steekproef te kijken die eenvoudiger en sneller is.

De door Terrones en zijn team ontwikkelde techniek maakt gebruik van een optische methode, fluorescerende microscopie, waarbij een laser van een specifieke golflengte op een monster en de geëxciteerde elektronen schijnt, naar een hoger energieniveau geduwd, elk zendt een foton uit met een langere golflengte wanneer het elektron naar een lager energieniveau zakt. de golflengte, of kleur van het licht, kan worden gemeten door spectroscopie en geeft informatie over het type defect en de locatie op het monster. Deze gegevens verschijnen als pieken in een grafiek, die het team vervolgens correleerde met visuele bevestiging onder de TEM. Theoretische berekeningen hielpen ook om de optische resultaten te valideren. Een noodzakelijke stap in het proces is het plaatsen van het monster in een temperatuurgecontroleerde monsterhouder, of toneel, en de temperatuur verlagen tot 77 kelvin, bijna 200 graden onder nul. Bij deze temperatuur, de elektron-gat-paren die de fluorescentie produceren zijn gebonden aan het defect - in het geval van dit werk een groep zwavelvacatures in de bovenste laag van de sandwich - en zenden een signaal uit dat sterker is dan de ongerepte delen van het materiaal.

"Voor de eerste keer, we hebben een directe relatie vastgesteld tussen de optische respons en de hoeveelheid atoomdefecten in tweedimensionale materialen, " zei Victor Carozo, voormalig postdoctoraal wetenschapper in het laboratorium van Terrones en eerste auteur van het werk.

Terrones heeft toegevoegd, "Voor de halfgeleiderindustrie dit is een snelle meting, een optische niet-destructieve methode om defecten in 2D-systemen te evalueren. Het belangrijkste is dat we onze optische methode konden correleren met TEM en ook met atomistische simulaties. Ik denk dat deze methode zeer nuttig kan zijn bij het opstellen van een protocol voor de karakterisering van 2-D kristallijne materialen."

In deze context, co-auteur Yuanxi Wang, een postdoctoraal onderzoeker in de 2DLM en een theoreticus, toegevoegd, "Onze berekeningen laten zien dat elektronen die zijn gevangen door vacatures, licht uitzenden op golflengten die verschillen van de emissie van defectvrije regio's. Regio's die licht op deze golflengten uitzenden, kunnen gemakkelijk vacatures in monsters identificeren."

En Vincent Crespi, Distinguished Professor in de natuurkunde, Materiaalkunde en techniek en scheikunde, Penn staat, zei:"We kunnen niet alleen een empirische correlatie vaststellen tussen de aanwezigheid van bepaalde defecten en gewijzigde lichtemissie, maar identificeer ook de reden voor die correlatie door middel van eerste-principeberekeningen."

Apparaattoepassingen die door dit werk kunnen worden verbeterd, omvatten membranen met selectieve poriegroottes voor het verwijderen van zout uit water of voor DNA-sequencing, gasdetectie wanneer gasmoleculen binden aan specifieke vacatures en de dotering van 2D-materialen, dat is de toevoeging van vreemde atomen om eigenschappen te verbeteren.