Niets is perfect, of zo gaat het gezegde, en dat is niet altijd een slechte zaak. In een onderzoek aan het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), wetenschappers hebben geleerd hoe defecten op nanoschaal de eigenschappen van een ultradunne, zogenaamd 2D-materiaal.

Ze combineerden een gereedschapskist met technieken om zich thuis te voelen in natuurlijke, nanoschaaldefecten gevormd bij de vervaardiging van kleine vlokken van een monolaag materiaal dat bekend staat als wolfraamdisulfide (WS2) en hebben hun elektronische effecten in detail gemeten die voorheen niet mogelijk waren.

"Meestal zeggen we dat defecten slecht zijn voor een materiaal, " zei Christoph Kastl, een postdoctoraal onderzoeker bij Berkeley Lab's Molecular Foundry en de hoofdauteur van de studie, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano . "Hier bieden ze functionaliteit."

Wolfraamdisulfide is een goed bestudeerd 2D-materiaal dat, net als andere 2D-materialen in zijn soort, vertoont speciale eigenschappen vanwege zijn atomaire dunheid. Het staat vooral bekend om zijn efficiëntie bij het absorberen en uitstralen van licht, en het is een halfgeleider.

Leden van deze familie van 2D-materialen kunnen dienen als zeer efficiënte computertransistors en als andere elektronische componenten, en ze zijn ook uitstekende kandidaten voor gebruik in ultradunne, hoogrendementszonnecellen en ledverlichting, evenals in kwantumcomputers.

Deze 2D-materialen kunnen ook worden verwerkt in nieuwe vormen van geheugenopslag en gegevensoverdracht, zoals spintronica en valleytronics, dat zou een revolutie teweegbrengen in de elektronica door op nieuwe manieren gebruik te maken van materialen om kleinere en efficiëntere apparaten te maken.

Het laatste resultaat markeert de eerste uitgebreide studie in de Advanced Light Source (ALS) van het Lab met een techniek genaamd nanoARPES, die onderzoekers hebben ingeschakeld om de 2D-monsters met röntgenstralen te onderzoeken. De röntgenstralen schakelden elektronen uit in het monster, waardoor onderzoekers hun richting en energie kunnen meten. Dit onthulde defecten op nanoschaal en hoe de elektronen met elkaar omgaan.

De nanoARPES-mogelijkheid is ondergebracht in een röntgenbundellijn, gelanceerd in 2016, bekend als MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory). Het is een van de tientallen gespecialiseerde bundellijnen bij de ALS, die licht in verschillende vormen produceert - van infrarood tot röntgenstralen - voor een verscheidenheid aan gelijktijdige experimenten.

"Het is een grote stap vooruit om deze elektronische structuur op kleine lengteschalen te krijgen, " zei Eli Rotenberg, een senior stafwetenschapper bij de ALS die een drijvende kracht was bij de ontwikkeling van MAESTRO en diende als een van de leiders van de studie. "Dat is belangrijk voor echte apparaten."

Het team schakelde ook een techniek in die bekend staat als XPS (röntgenfoto-elektronspectroscopie) om de chemische samenstelling van een monster op zeer kleine schaal te bestuderen; een vorm van AFM (atomic force microscopie) om structurele details te bekijken die de atomaire schaal benaderen; en een gecombineerde vorm van optische spectroscopie (Raman/fotoluminescentie spectroscopie) om op microscoopschaal te bestuderen hoe licht interageert met de elektronen.

De verschillende technieken werden toegepast bij de Molecular Foundry, waar het materiaal werd gesynthetiseerd, en bij de ALS. Het monster dat in het onderzoek werd gebruikt, bevatte microscopische, ruwweg driehoekige vlokken, elk met een diameter van ongeveer 1 tot 5 micron (miljoensten van een meter). Ze werden bovenop titaniumdioxidekristallen gekweekt met behulp van een conventioneel laagproces dat bekend staat als chemische dampafzetting, en de gebreken waren grotendeels geconcentreerd rond de randen van de vlokken, een handtekening van het groeiproces. De meeste experimenten waren gericht op een enkele vlok wolfraamdisulfide.

Adam Schwartzberg, een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry die als co-lead in de studie diende, zei, "Er was een combinatie van meerdere soorten technieken nodig om vast te stellen wat er echt aan de hand is."

Hij voegde toe, "Nu we weten welke gebreken we hebben en welk effect ze hebben op de eigenschappen van het materiaal, we kunnen deze informatie gebruiken om defecten te verminderen of te elimineren - of als u het defect wilt, het geeft ons een manier om te weten waar de gebreken zijn, " en geeft nieuw inzicht over hoe de defecten in het monsterproductieproces kunnen worden verspreid en versterkt.

Hoewel de concentratie van randdefecten in de WS2-vlokken algemeen bekend was vóór de laatste studie, Schwartzberg zei dat hun effecten op materiaalprestaties niet eerder op zo'n uitgebreide en gedetailleerde manier waren bestudeerd.

Onderzoekers ontdekten dat een tekort van 10 procent aan zwavelatomen geassocieerd was met de defecte randgebieden van de monsters in vergelijking met andere regio's, en ze identificeerden een kleinere, 3 procent zwaveltekort naar het midden van de vlokken. Onderzoekers merkten ook een verandering op in de elektronische structuur en een grotere hoeveelheid vrij bewegende elektrische ladingsdragers in verband met de hoog-defecte randgebieden.

Voor deze studie is de gebreken waren te wijten aan het monstergroeiproces. Toekomstige nanoARPES-onderzoeken zullen zich richten op monsters met defecten die worden veroorzaakt door chemische verwerking of andere behandelingen. Onderzoekers hopen de hoeveelheid en soorten atomen die worden beïnvloed te beheersen, en de locaties waar deze defecten geconcentreerd zijn in de vlokken.

Zulke kleine aanpassingen kunnen belangrijk zijn voor processen zoals katalyse, die wordt gebruikt om veel belangrijke industriële chemische productieprocessen te verbeteren en te versnellen, en om kwantumprocessen te onderzoeken die afhankelijk zijn van de productie van individuele deeltjes die dienen als informatiedragers in de elektronica.

Omdat het onderzoek naar WS2 en verwante 2D-materialen nog in de kinderschoenen staat, er zijn veel onbekenden over de rol die specifieke soorten defecten spelen in deze materialen, en Rotenberg merkte op dat er een wereld aan mogelijkheden is voor zogenaamde "defect engineering" in deze materialen.

In aanvulling, MAESTRO's nanoARPES heeft de mogelijkheid om de elektronische structuren van stapels van verschillende soorten 2D-materiaallagen te bestuderen. Dit kan onderzoekers helpen begrijpen hoe hun eigenschappen afhangen van hun fysieke rangschikking, en om werkende apparaten te verkennen die 2D-materialen bevatten.

"De ongekende kleinschaligheid van de metingen - momenteel bijna 50 nanometer - maakt nanoARPES een geweldig ontdekkingsinstrument dat bijzonder nuttig zal zijn om nieuwe materialen te begrijpen terwijl ze worden uitgevonden, ' zei Rotenberg.

MAESTRO is een van de prioritaire bundellijnen die moet worden geüpgraded als onderdeel van het ALS Upgrade (ALS-U) project van het Lab, een grote onderneming die nog helderder zal produceren, meer gerichte lichtbundels voor experimenten. "Het ALS-U-project zal de prestaties van de nanoARPES-techniek verder verbeteren, "Rotenberg zei:"de metingen 10 tot 30 keer efficiënter maken en ons vermogen om nog kortere lengteschalen te bereiken aanzienlijk verbeteren."

NanoARPES zou een belangrijke rol kunnen spelen bij de ontwikkeling van nieuwe zonnetechnologieën, omdat het onderzoekers in staat stelt te zien hoe variaties op nanoschaal in chemische samenstelling, aantal gebreken, en andere structurele kenmerken beïnvloeden de elektronen die uiteindelijk hun prestaties bepalen. Dezelfde problemen zijn belangrijk voor veel andere complexe materialen, zoals supergeleiders, magneten, en thermo-elektriciteit – die temperatuur omzet in stroom en vice versa – dus nanoARPES zal hier ook zeer nuttig voor zijn.