Spanningen en spanningen kunnen de eigenschappen van een materiaal drastisch veranderen, en TU Wien heeft nu een methode ontwikkeld om deze interne vervormingen zichtbaar te maken.

Tweedimensionale materialen zoals grafeen, die uit slechts één of enkele atoomlagen bestaan, zijn de afgelopen jaren een veelbelovend aspect van de materiaalwetenschap geweest. Ze vertonen opmerkelijke eigenschappen die volledig nieuwe technische mogelijkheden openen, van sensortechnologie tot zonnecellen.

Echter, er is één belangrijk fenomeen dat tot nu toe niet nauwkeurig kon worden gemeten:de extreme interne spanningen en spanningen waaraan dergelijke materialen kunnen worden blootgesteld, die de fysieke eigenschappen van het materiaal vaak drastisch veranderen. TU Wien heeft deze vervormingen nu met succes op microscopisch niveau in 2D-materialen gemeten, waardoor het nu mogelijk is om nauwkeurig (punt voor punt) waar te nemen hoe de eigenschappen van een materiaal kunnen veranderen als gevolg van een eenvoudige vervorming. Deze nieuwe meetmethoden zijn nu gepubliceerd in het vakblad Natuurcommunicatie .

Rekken en compressie

Wanneer een materiaal wordt uitgerekt of samengedrukt, de afstand tussen de afzonderlijke atomen verandert, en deze afstand heeft invloed op de elektronische eigenschappen van het materiaal. Dit fenomeen wordt al jaren toegepast in de halfgeleidertechnologie:siliciumkristallen, bijvoorbeeld, zodanig kunnen worden gekweekt dat ze permanent onder interne mechanische belasting staan.

Echter, tweedimensionale materialen, die slechts uit een ultradun laagje bestaan, bieden veel meer potentieel:"Een kristal kan misschien één procent worden uitgerekt voordat het breekt. Met 2D-materialen, vervorming van tien of twintig procent is mogelijk", zegt prof. Thomas Müller van het Photonics Institute (Faculteit Elektrotechniek en Informatietechnologie) van de TU Wien. Afhankelijk van de vervorming en mechanische spanningen in het materiaal, de elektronische eigenschappen kunnen volledig veranderen, zoals het vermogen van de elektronen om binnenkomend licht te absorberen.

"Tot nu toe, als je spanningen in dit soort materiaal wilde meten, moest je vertrouwen op extreem gecompliceerde meetmethoden", legt Lukas Mennel (TU Wien) uit, hoofdauteur van de publicatie. Bijvoorbeeld, je zou het oppervlak kunnen observeren met een transmissie-elektronenmicroscoop, meet de gemiddelde afstand tussen de atomen en leid daaruit eventuele rek of compressie af. Aan de TU Wenen, dit proces is nu veel eenvoudiger en nauwkeuriger gemaakt.

Rood licht erin, blauw licht uit

Hier, er wordt een opmerkelijk effect gebruikt dat frequentieverdubbeling wordt genoemd:"Als je specifieke materialen - in ons geval een laag molybdeendisulfide - bestraalt met een geschikte laserstraal, het materiaal kan tegenlicht van een andere kleur reflecteren", legt Thomas Müller uit. Twee fotonen in de inkomende laserstraal worden gecombineerd tot één foton met dubbele energie, die door het materiaal wordt uitgestoten.

Echter, de intensiteit van dit effect hangt af van de interne symmetrie van het materiaal. Gebruikelijk, molybdeendisulfide heeft een honingraatachtige structuur, dat wil zeggen zeshoekige symmetrie. Als het materiaal wordt uitgerekt of samengedrukt, deze symmetrie is enigszins vervormd - en deze kleine vervorming heeft een dramatisch effect op de intensiteit van het licht dat door het materiaal wordt teruggekaatst.

Als je een laag molybdeendisulfide over een microstructuur aanbrengt, zoals een rubberen deken over een klimrek leggen, het resultaat is een complex patroon van lokale vervormingen. U kunt nu een laser gebruiken om het materiaal punt voor punt te scannen en zo een gedetailleerde kaart van deze rekken en compressies te verkrijgen. "Daarbij, niet alleen kunnen we de ernst van deze vervormingen meten, maar we kunnen ook de exacte richting zien waarin ze lopen", legt Lukas Mennel uit.

Deze beeldvormingsmethoden kunnen nu worden gebruikt voor de lokale, gerichte aanpassing van materiaaleigenschappen. "Bijvoorbeeld, aangepaste materiaalvervormingen in zonnecellen kunnen ervoor zorgen dat vrije ladingsdragers zo snel mogelijk in de goede richting worden verspreid", zegt Thomas Müller. Dit onderzoek naar 2D-materialen betekent dat een nieuwe, krachtige tool is nu beschikbaar.