Honderd jaar geleden, "2d" betekende een twee cent, of 1-inch, nagel. Vandaag, "2-D" omvat een breed scala aan atomair dunne platte materialen, velen met exotische eigenschappen die niet worden gevonden in de bulkequivalenten van dezelfde materialen, met grafeen - de één-atoom-dikke vorm van koolstof - misschien wel de meest prominente. Terwijl veel onderzoekers van MIT en elders tweedimensionale materialen en hun speciale eigenschappen onderzoeken, Frances M. Ross, de Ellen Swallow Richards Professor in Materials Science and Engineering, is geïnteresseerd in wat er gebeurt als deze 2D-materialen en gewone 3D-materialen samenkomen.

"We zijn geïnteresseerd in de interface tussen een 2D-materiaal en een 3D-materiaal, omdat elk 2D-materiaal dat u in een toepassing wilt gebruiken, zoals een elektronisch apparaat, moet nog met de buitenwereld praten, die driedimensionaal is, ' zegt Roos.

"We bevinden ons in een interessante tijd omdat er enorme ontwikkelingen zijn in instrumentatie voor elektronenmicroscopie, en er is grote belangstelling voor materialen met zeer nauwkeurig gecontroleerde structuren en eigenschappen, en deze twee dingen kruisen elkaar op een fascinerende manier, " zegt Roos.

"De kansen zijn erg spannend, " Ross zegt. "We gaan de karakteriseringsmogelijkheden hier bij MIT echt verbeteren." Ross is gespecialiseerd in het onderzoeken van hoe materialen op nanoschaal groeien en reageren in zowel gassen als vloeibare media. door films op te nemen met behulp van elektronenmicroscopie. Microscopie van reacties in vloeistoffen is vooral nuttig voor het begrijpen van de mechanismen van elektrochemische reacties die de prestaties van katalysatoren bepalen, batterijen, brandstofcellen, en andere belangrijke technologieën. "In het geval van microscopie in de vloeistoffase, je kunt ook kijken naar corrosie waar dingen oplossen, terwijl je in gassen kunt kijken hoe individuele kristallen groeien of hoe materialen reageren met, zeggen, zuurstof, " ze zegt.

Ross trad vorig jaar toe tot de faculteit van de afdeling Materials Science and Engineering (DMSE), verhuizen van de afdeling materiaalanalyse op nanoschaal bij het IBM Thomas J. Watson Research Center. "Ik heb enorm veel geleerd van mijn IBM-collega's en hoop ons onderzoek naar materiaalontwerp en groei in nieuwe richtingen uit te breiden, " ze zegt.

Films opnemen

Tijdens een recent bezoek aan haar lab, Ross legde een experimentele opstelling uit die door IBM aan MIT was geschonken. Een ultrahoog vacuümverdampersysteem arriveerde als eerste, om later rechtstreeks op een speciaal ontworpen transmissie-elektronenmicroscoop te worden bevestigd. "Dit geeft krachtige mogelijkheden, Ross legt uit. "We kunnen een monster in het vacuüm stoppen, Maak het schoon, doe er allerlei dingen aan zoals verwarmen en andere materialen toevoegen, breng het vervolgens onder vacuüm over in de microscoop, waar we meer experimenten kunnen doen terwijl we beelden opnemen. Dus we kunnen, bijvoorbeeld, deponeer silicium of germanium, of metalen verdampen, terwijl het monster in de microscoop ligt en de elektronenstraal er doorheen schijnt, en we nemen een film op van het proces."

In afwachting van de opstelling van de transmissie-elektronenmicroscoop dit voorjaar, leden van de zevenkoppige onderzoeksgroep van Ross, inclusief materiaalwetenschap en techniek postdoc Shu Fen Tan en afgestudeerde student Kate Reidy, verschillende zelf-geassembleerde structuren gemaakt en bestudeerd. Het verdampersysteem was tijdelijk gehuisvest op de prototyperuimte op het vijfde niveau van MIT.nano terwijl het laboratorium van Ross werd voorbereid in gebouw 13. "MIT.nano had de middelen en de ruimte; we waren blij om te kunnen helpen, " zegt Anna Osherov, MIT.nano adjunct-directeur gebruikersservices.

"We zijn allemaal geïnteresseerd in deze grote uitdaging van de materiaalwetenschap, dat is:"Hoe maak je een materiaal met de eigenschappen die je wilt en, vooral, hoe gebruik je nanoschaaldimensies om de eigenschappen aan te passen, en nieuwe eigenschappen creëren, die je niet uit bulkmaterialen kunt halen?", zegt Ross.

Met behulp van het ultrahoogvacuümsysteem, afgestudeerde student Kate Reidy vormde structuren van goud en niobium op verschillende 2D-materialen. "Goud groeit graag uit tot kleine driehoekjes, Ross merkt op. "We hebben met mensen in de natuurkunde en materiaalkunde gesproken over welke combinaties van materialen voor hen het belangrijkst zijn in termen van het beheersen van de structuren en de interfaces tussen de componenten om enige verbetering te brengen in de eigenschappen van het materiaal, " merkt ze op.

Shu Fen Tan synthetiseerde nikkel-platina nanodeeltjes en onderzocht ze met een andere techniek, vloeibare cel elektronenmicroscopie. Ze kon ervoor zorgen dat alleen het nikkel oplost, stekelige skeletten van platina achterlatend. "In de vloeibare cel, we zijn in staat om dit hele proces te zien met hoge ruimtelijke en temporele resoluties, " zegt Tan. Ze legt uit dat platina een edelmetaal is en minder reactief dan nikkel, dus onder de juiste omstandigheden neemt het nikkel deel aan een elektrochemische oplosreactie en blijft het platina achter.

Platina is een bekende katalysator in organische chemie en brandstofcelmaterialen, Tan notities, maar het is ook duur dus het vinden van combinaties met goedkopere materialen zoals nikkel is wenselijk.

"Dit is een voorbeeld van de reeks materiaalreacties die je in de elektronenmicroscoop kunt afbeelden met behulp van de vloeibare celtechniek, ' zegt Ross. 'Je kunt materialen kweken; je kunt ze wegetsen; je kunt kijken, bijvoorbeeld, bellenvorming en vloeiende beweging."

Een bijzonder belangrijke toepassing van deze techniek is het bestuderen van de cyclus van batterijmaterialen. "Blijkbaar, Ik kan hier geen AA-batterij plaatsen, maar je zou de belangrijke materialen in deze zeer kleine vloeibare cel kunnen plaatsen en dan kun je het heen en weer fietsen en vragen, als ik hem 10 keer oplaad en ontlaad, wat gebeurt er? Het werkt niet meer zo goed als voorheen - hoe kan het?' Vraagt ​​Ross. 'Een soort storingsanalyse en alle tussenstadia van laden en ontladen kunnen in de vloeistofcel worden waargenomen.'

"Microscopie-experimenten waarbij je elke stap van een reactie ziet, geven je een veel betere kans om te begrijpen wat er aan de hand is, ' zegt Roos.

Moiré patronen

Afgestudeerde student Reidy is geïnteresseerd in hoe de groei van goud op 2D-materialen zoals grafeen, wolfraam diselenide, en molybdeendisulfide. Toen ze goud deponeerde op "vuil" grafeen, klodders goud verzameld rond de onzuiverheden. Maar toen Reidy goud kweekte op grafeen dat was verhit en ontdaan van onzuiverheden, ze vond perfecte driehoeken van goud. Goud deponeren aan zowel de boven- als onderkant van schoon grafeen, Reidy zag in de microscoop kenmerken die bekend staan ​​als moiré-patronen, die worden veroorzaakt wanneer de overlappende kristalstructuren niet op één lijn liggen.

De gouden driehoeken kunnen nuttig zijn als fotonische en plasmonische structuren. "We denken dat dit voor veel toepassingen van belang kan zijn, en het is altijd interessant voor ons om te zien wat er gebeurt, ", zegt Reidy. Ze is van plan haar schone groeimethode uit te breiden om 3D-metaalkristallen te vormen op gestapelde 2D-materialen met verschillende rotatiehoeken en andere structuren met een gemengde laag. Reidy is geïnteresseerd in de eigenschappen van grafeen en hexagonaal boornitride ( hBN), evenals twee materialen die halfgeleidend zijn in hun 2-D enkellaagse vorm, molybdeendisulfide (MoS2) en wolfraamdiselenide (WSe2). "Een aspect dat erg interessant is in de gemeenschap van 2D-materialen, zijn de contacten tussen 2D-materialen en 3D-metalen, ', zegt Reidy. 'Als ze een halfgeleidend apparaat of een apparaat met grafeen willen maken, het contact kan ohms zijn voor de grafeenbehuizing of een Schottky-contact voor de halfgeleidende behuizing, en de interface tussen deze materialen is echt, heel belangrijk."

"Je kunt je ook apparaten voorstellen die het grafeen gebruiken als een afstandslaag tussen twee andere materialen, ’ voegt Roos toe.

Voor apparaatfabrikanten, Reidy zegt dat het soms belangrijk is om een ​​3D-materiaal te laten groeien waarbij de atomaire rangschikking perfect is uitgelijnd met de atomaire rangschikking in de 2D-laag eronder. Dit wordt epitaxiale groei genoemd. Het beschrijven van een afbeelding van goud samengegroeid met zilver op grafeen, Reidy legt uit, "We ontdekten dat zilver niet epitaxiaal groeit, het maakt niet die perfecte eenkristallen op grafeen die we wilden maken, maar door eerst het goud te deponeren en er dan zilver omheen te deponeren, we kunnen zilver bijna dwingen om in een epitaxiale vorm te gaan omdat het zich wil conformeren aan wat zijn gouden buren doen."

Elektronenmicroscoopbeelden kunnen ook onvolkomenheden in een kristal laten zien, zoals rimpelen of buigen, Reidy notities. "Een van de geweldige dingen van elektronenmicroscopie is dat het erg gevoelig is voor veranderingen in de rangschikking van de atomen, Ross zegt. "Je zou een perfect kristal kunnen hebben en het zou er allemaal dezelfde grijstint uitzien, maar als je een lokale verandering in de structuur hebt, zelfs een subtiele verandering, elektronenmicroscopie kan het oppikken. Zelfs als de verandering zich net binnen de bovenste paar lagen van atomen bevindt zonder de rest van het onderliggende materiaal te beïnvloeden, het beeld zal onderscheidende kenmerken vertonen die ons in staat stellen om uit te zoeken wat er aan de hand is."

Reidy onderzoekt ook de mogelijkheden om niobium - een metaal dat supergeleidend is bij lage temperaturen - te combineren met een 2D-topologische isolator, bismut telluride. Topologische isolatoren hebben fascinerende eigenschappen waarvan de ontdekking resulteerde in de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2016. "Als je niobium op bismuttelluride deponeert, met een zeer goede interface, je kunt supergeleidende kruispunten maken. We hebben niobiumafzetting onderzocht, en in plaats van driehoeken zien we structuren die er meer dendritisch uitzien, " zegt Reidy. Dendritische structuren zien eruit als de vorstpatronen die in de winter aan de binnenkant van ramen worden gevormd, of de gevederde patronen van sommige varens. Het veranderen van de temperatuur en andere omstandigheden tijdens de afzetting van niobium kan de patronen die het materiaal aanneemt veranderen.

Alle onderzoekers staan ​​te trappelen om nieuwe elektronenmicroscopen bij MIT.nano te laten komen om meer inzicht te geven in het gedrag van deze materialen. "Het komende jaar zal er veel gebeuren, de zaken komen al in een stroomversnelling en ik heb geweldige mensen om mee samen te werken. Er wordt nu een nieuwe microscoop geïnstalleerd in MIT.nano en volgend jaar komt er nog een. De hele gemeenschap zal hier de voordelen van verbeterde microscopiekarakteriseringsmogelijkheden zien, ' zegt Roos.

Osherov van MIT.nano merkt op dat twee cryogene transmissie-elektronenmicroscopen (cryo-TEM) zijn geïnstalleerd en werken. "Ons doel is om een ​​unieke microscopie-gecentreerde gemeenschap op te richten. We moedigen en hopen een kruisbestuiving tussen de cryo-EM-onderzoekers te vergemakkelijken, vooral gericht op biologische toepassingen en 'zacht' materiaal, evenals andere onderzoeksgemeenschappen op de campus, " zegt ze. De nieuwste toevoeging van een scanning transmissie-elektronenmicroscoop met verbeterde analytische mogelijkheden (monochromator met ultrahoge energieresolutie, 4-D STEM-detector, Super-X EDS-detector, tomografie, en verschillende in situ houders) binnengebracht door John Chipman Associate Professor of Materials Science and Engineering James M. LeBeau, eenmaal geïnstalleerd, zal de microscopiemogelijkheden van de MIT-campus aanzienlijk verbeteren. "We beschouwen professor Ross als een enorme bron om ons te adviseren bij het vormgeven van de in-situ-benadering van metingen met behulp van de geavanceerde instrumentatie die zal worden gedeeld en beschikbaar zal zijn voor alle onderzoekers binnen de MIT-gemeenschap en daarbuiten, ' zegt Osjerov.

Kleine rietjes

"Soms weet je min of meer wat je gaat zien tijdens een groei-experiment, maar heel vaak is er iets dat je niet verwacht, " zegt Ross. Ze laat een voorbeeld zien van zinkoxide-nanodraden die zijn gegroeid met een germaniumkatalysator. Sommige van de lange kristallen hebben een gat door hun midden, structuren creëren die lijken op kleine rietjes, cirkelvormige buitenkant maar met een zeshoekige binnenkant. "Dit is een eenkristal van zinkoxide, en de interessante vraag voor ons is waarom de experimentele omstandigheden deze facetten binnenin creëren, terwijl de buitenkant glad is?" Vraagt ​​Ross. "Metaaloxide nanostructuren hebben zoveel verschillende toepassingen, en elke nieuwe structuur kan verschillende eigenschappen vertonen. Vooral, door naar de nanoschaal te gaan, krijg je toegang tot een diverse reeks eigenschappen."

"Uiteindelijk, we willen technieken ontwikkelen voor het kweken van goed gedefinieerde structuren uit metaaloxiden, vooral als we de compositie op elke locatie op de constructie kunnen controleren, " zegt Ross. Een sleutel tot deze aanpak is zelfassemblage, waarbij het materiaal zichzelf inbouwt in de structuur die u wilt, zonder dat u elk onderdeel afzonderlijk hoeft aan te passen. "Zelfmontage werkt heel goed voor bepaalde materialen, maar het probleem is dat er altijd enige onzekerheid is, enige willekeur of fluctuaties. Er is een slechte controle over de exacte structuren die je krijgt. Dus het idee is om te proberen zelfassemblage goed genoeg te begrijpen om het te kunnen beheersen en de eigenschappen te krijgen die je wilt, ' zegt Roos.

"We moeten begrijpen hoe de atomen terechtkomen waar ze zijn, gebruik dan dat zelf-assemblerende vermogen van atomen om een ​​structuur te maken die we willen. De manier om te begrijpen hoe dingen zichzelf in elkaar zetten, is door ze het te zien doen, en dat vereist films met een hoge ruimtelijke resolutie en een goede tijdresolutie, Ross legt uit. Elektronenmicroscopie kan worden gebruikt om structurele en compositorische informatie te verkrijgen en kan zelfs spanningsvelden of elektrische en magnetische velden meten. "Stel je voor dat je al deze dingen opneemt, maar in een film waarin je ook controleert hoe materialen binnen de microscoop groeien. Als je eenmaal een film hebt gemaakt van iets dat gebeurt, je analyseert alle stappen van het groeiproces en gebruikt dat om te begrijpen welke fysische principes de belangrijkste waren die bepaalden hoe de structuur zich ontwikkelde en evolueerde en eindigde zoals het nu is."

Toekomstige richtingen

Ross hoopt een unieke, hoge resolutie, hoogvacuüm TEM met mogelijkheden om de groei van materialen en andere dynamische processen in beeld te brengen. Ze is van plan nieuwe mogelijkheden te ontwikkelen voor zowel op water gebaseerde als op gas gebaseerde omgevingen. Deze aangepaste microscoop bevindt zich nog in de planningsfase, maar zal worden geplaatst in een van de kamers in de Imaging Suite in MIT.nano.

"Professor Ross is een pionier op dit gebied, " zegt Osherov. "De meeste TEM-onderzoeken tot nu toe waren statisch, in plaats van dynamisch. Met statische metingen observeer je een monster op een bepaald momentopname, dus je krijgt geen informatie over hoe het is gevormd. Met behulp van dynamische metingen, je kunt kijken naar de atomen die van staat naar staat springen totdat ze de uiteindelijke positie hebben gevonden. Het vermogen om zelf-assemblerende processen en groei in realtime te observeren, biedt waardevolle mechanistische inzichten. We kijken ernaar uit om deze geavanceerde mogelijkheden naar MIT.nano te brengen", zegt ze.

"Als een bepaalde techniek eenmaal onder het publiek is verspreid, het trekt de aandacht, " zegt Osherov. "Als de resultaten worden gepubliceerd, onderzoekers breiden hun visie op experimenteel ontwerp uit op basis van beschikbare state-of-the-art mogelijkheden, wat leidt tot veel nieuwe experimenten die gericht zullen zijn op dynamische toepassingen."

Kamers in MIT.nano beschikken over de stilste ruimte op de MIT-campus, ontworpen om trillingen en elektromagnetische interferentie tot een zo laag mogelijk niveau te beperken. "Er is ruimte beschikbaar voor professor Ross om haar onderzoek voort te zetten en verder te ontwikkelen, " zegt Osherov. "Het vermogen om de vorming van materie en interfaces in situ te volgen, zal toepassingen vinden op meerdere gebieden op de campus, en leiden tot een verdere verdringing van de conventionele elektronenmicroscopielimieten."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.