Een team van materiaalonderzoekers van de Northwestern University heeft een nieuwe methode ontwikkeld om de dynamische beweging van atomen in atomair dunne 2D-materialen te bekijken. De beeldtechniek, die de onderliggende oorzaak achter het falen van de prestaties van een veelgebruikt 2D-materiaal onthult, zou onderzoekers kunnen helpen bij het ontwikkelen van stabielere en betrouwbaardere materialen voor toekomstige wearables en flexibele elektronische apparaten.

Deze 2D-materialen, zoals grafeen en borofeen, zijn een klasse enkellaags, kristallijne materialen met wijdverbreid potentieel als halfgeleiders in geavanceerde ultradunne, flexibele elektronica. Maar vanwege hun dunne karakter, de materialen zijn zeer gevoelig voor externe omgevingen, en hebben geworsteld om stabiliteit en betrouwbaarheid op lange termijn aan te tonen bij gebruik in elektronische apparaten.

"Atomair dunne 2D-materialen bieden het potentieel om elektronische apparaten drastisch te verkleinen, waardoor ze een aantrekkelijke optie zijn voor toekomstige draagbare en flexibele elektronica, " zei Vinayak Dravid, Abraham Harris hoogleraar materiaalkunde en engineering aan de McCormick School of Engineering.

De studie, getiteld "Directe visualisatie van door elektrische velden geïnduceerde structurele dynamiek in monolaag overgangsmetaal dichalcogeniden, " werd op 11 februari gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano . Dravid is de corresponderende auteur op het papier. Chris Wolverton, de Jerome B. Cohen hoogleraar Materials Science and Engineering, ook bijgedragen aan het onderzoek.

"Helaas, elektronische apparaten werken nu als een soort 'black box'. Hoewel apparaatstatistieken kunnen worden gemeten, de beweging van afzonderlijke atomen in de materialen die verantwoordelijk zijn voor deze eigenschappen is onbekend, wat de inspanningen om de prestaties te verbeteren aanzienlijk beperkt, " voegde Dravid toe, die fungeert als directeur van het Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization (NUANCE) Center. Het onderzoek maakt het mogelijk om voorbij die beperking te gaan met een nieuw begrip van de structurele dynamiek die speelt in 2D-materialen die elektrische spanning ontvangen.

Voortbouwend op een eerdere studie waarin de onderzoekers een beeldvormingstechniek op nanoschaal gebruikten om falen in 2D-materialen veroorzaakt door warmte waar te nemen, het team gebruikte een hoge resolutie, beeldvormingsmethode op atomaire schaal, elektronenmicroscopie genaamd, om de beweging van atomen in molybdeendisulfide (MoS2) te observeren, een goed bestudeerd materiaal dat oorspronkelijk werd gebruikt als droog smeermiddel in vetten en wrijvingsmaterialen en dat recentelijk in de belangstelling staat vanwege zijn elektronische en optische eigenschappen. Toen de onderzoekers een elektrische stroom op het materiaal aanbrachten, ze zagen hoe de zeer mobiele zwavelatomen zich continu verplaatsen naar lege gebieden in het kristallijne materiaal, een fenomeen dat ze noemden, "atoomdans."

Die beweging, beurtelings, zorgde ervoor dat de korrelgrenzen van de MoS2 - een natuurlijk defect gecreëerd in de ruimte waar twee kristallieten in het materiaal elkaar ontmoeten - uit elkaar gingen, vormen smalle kanalen waar de stroom doorheen kan.

"Als deze korrelgrenzen scheiden, je houdt nog maar een paar smalle kanalen over, waardoor de dichtheid van de elektrische stroom door deze kanalen toeneemt, " zei Akshay Murthy, een doctoraat student in de groep van Dravid en de hoofdauteur van het onderzoek. "Dit leidt tot hogere vermogensdichtheden en hogere temperaturen in die regio's, wat uiteindelijk leidt tot falen in het materiaal."

"Het is krachtig om precies te kunnen zien wat er op deze schaal gebeurt, Murthy vervolgde. "Met behulp van traditionele technieken, we kunnen een elektrisch veld toepassen op een monster en veranderingen in het materiaal zien, maar we konden niet zien wat die veranderingen veroorzaakte. Als je de oorzaak niet weet, het is moeilijk om faalmechanismen te elimineren of het gedrag in de toekomst te voorkomen."

Met deze nieuwe manier om 2D-materialen op atomair niveau te bestuderen, het team is van mening dat onderzoekers deze beeldvormingsbenadering kunnen gebruiken om materialen te synthetiseren die minder storingsgevoelig zijn in elektronische apparaten. Bij geheugenapparaten, bijvoorbeeld, onderzoekers kunnen observeren hoe regio's waar informatie wordt opgeslagen evolueren als elektrische stroom wordt toegepast en kunnen aanpassen hoe die materialen zijn ontworpen voor betere prestaties.

De techniek kan ook helpen bij het verbeteren van tal van andere technologieën, van transistors in bio-elektronica tot light emitting diodes (LED's) in consumentenelektronica tot fotovoltaïsche cellen waaruit zonnepanelen bestaan.

"We zijn van mening dat de methodologie die we hebben ontwikkeld om te controleren hoe 2D-materialen zich onder deze omstandigheden gedragen, onderzoekers zal helpen de voortdurende uitdagingen met betrekking tot apparaatstabiliteit te overwinnen, Murthy zei. "Deze vooruitgang brengt ons een stap dichter bij het verplaatsen van deze technologieën van het laboratorium naar de markt."