Om elektronische apparaten verder te verkleinen en het energieverbruik te verlagen, de halfgeleiderindustrie is geïnteresseerd in het gebruik van 2D-materialen, maar fabrikanten hebben een snelle en nauwkeurige methode nodig om defecten in deze materialen op te sporen om te bepalen of het materiaal geschikt is voor de fabricage van apparaten. Nu heeft een team van onderzoekers een techniek ontwikkeld om snel en gevoelig defecten in 2D-materialen te karakteriseren.

Tweedimensionale materialen zijn atomair dun, de meest bekende is grafeen, een enkel atoom dikke laag koolstofatomen.

"Mensen hebben geworsteld om deze 2D-materialen zonder gebreken te maken, " zei Mauricio Terrones, Verne M. Willaman hoogleraar natuurkunde, Penn State. "Dat is het uiteindelijke doel. We willen een 2D-materiaal op een vier-inch wafer met minimaal een acceptabel aantal defecten, maar je wilt het op een snelle manier evalueren."

De onderzoekers - die Penn State vertegenwoordigen, Northeastern University, Rice University en Universidade Federal de Minas Gerais in Brazilië - de oplossing is om laserlicht te gebruiken in combinatie met tweede harmonische generatie, een fenomeen waarbij de frequentie van het licht dat op het materiaal schijnt, dubbel zo sterk reflecteert als de oorspronkelijke frequentie. Ze voegen donkerveldbeeldvorming toe, een techniek waarbij vreemd licht wordt weggefilterd zodat defecten doorschijnen. Volgens de onderzoekers is dit is de eerste keer dat dark field imaging werd gebruikt, en het biedt drie keer de helderheid van de standaard helderveld-beeldvormingsmethode, waardoor het mogelijk is om soorten defecten te zien die voorheen onzichtbaar waren.

"De lokalisatie en identificatie van defecten met de veelgebruikte helderveld tweede harmonische generatie is beperkt vanwege interferentie-effecten tussen verschillende korrels van 2D-materialen, " zei Leandro Wilde eend, een senior auteur op een recent artikel in Nano-letters en een professor aan de Universidade Federal de Minas Gerais. "In dit werk hebben we aangetoond dat we door het gebruik van donkerveld-SHG de interferentie-effecten verwijderen en de korrelgrenzen en randen van halfgeleidende 2D-materialen onthullen. Zo'n nieuwe techniek heeft een goede ruimtelijke resolutie en kan grote oppervlaktemonsters afbeelden die zouden kunnen worden gebruikt om de kwaliteit van het op industriële schaal geproduceerde materiaal te bewaken."

Vincent H. Crespi, Distinguished Professor in de natuurkunde, Materiaalkunde en techniek, en scheikunde, Penn staat, toegevoegd, "Kristalen zijn gemaakt van atomen, en dus zijn de defecten in kristallen - waar atomen misplaatst zijn - ook van atomaire grootte.

"Gebruikelijk, krachtig, dure en langzame experimentele sondes die microscopie doen met behulp van elektronenbundels, zijn nodig om zulke fijne details in een materiaal te onderscheiden, "zei Crespi. "Hier, we gebruiken een snelle en toegankelijke optische methode die alleen het signaal eruit haalt dat afkomstig is van het defect zelf om snel en betrouwbaar uit te zoeken hoe 2D-materialen aan elkaar worden genaaid uit op verschillende manieren georiënteerde korrels."

Een andere co-auteur vergeleek de techniek met het vinden van een bepaalde nul op een pagina vol nullen.

"In het donkere veld, alle nullen worden onzichtbaar gemaakt zodat alleen de defecte nul opvalt, " zei Yuanxi Wang, assistent-onderzoeksprofessor aan het Materials Research Institute van Penn State.

De halfgeleiderindustrie wil de mogelijkheid hebben om defecten aan de productielijn te controleren, maar 2D-materialen zullen waarschijnlijk in sensoren worden gebruikt voordat ze in elektronica worden gebruikt, volgens Terrones. Omdat 2D-materialen flexibel zijn en in zeer kleine ruimtes kunnen worden verwerkt, ze zijn goede kandidaten voor meerdere sensoren in een smartwatch of smartphone en de talloze andere plaatsen waar kleine, flexibele sensoren nodig.

"De volgende stap zou een verbetering zijn van de experimentele opstelling om nuldimensiedefecten in kaart te brengen - bijvoorbeeld atomaire vacatures - en deze ook uit te breiden naar andere 2D-materialen met verschillende elektronische en structurele eigenschappen, " zei hoofdauteur Bruno Carvalho, een voormalig gastonderzoeker in de groep van Terrones,