Een door de UCLA geleid onderzoeksteam heeft in ongekend detail experimentele driedimensionale kaarten gemaakt van de atomen in een zogenaamd 2D-materiaal - materie die niet echt tweedimensionaal is, maar bijna vlak omdat het in extreem dunne lagen is gerangschikt. niet meer dan een paar atomen dik.

Hoewel op 2D-materialen gebaseerde technologieën nog niet op grote schaal worden gebruikt in commerciële toepassingen, de materialen zijn het onderwerp geweest van veel onderzoeksinteresse. In de toekomst, ze zouden de basis kunnen vormen voor halfgeleiders in steeds kleinere elektronica, kwantumcomputer componenten, efficiëntere batterijen, of filters die zoet water uit zout water kunnen halen.

De belofte van 2D-materialen komt van bepaalde eigenschappen die verschillen van hoe dezelfde elementen of verbindingen zich gedragen wanneer ze in grotere hoeveelheden verschijnen. Die unieke kenmerken worden beïnvloed door kwantumeffecten - verschijnselen die zich voordoen op extreem kleine schaal en die fundamenteel verschillen van de klassieke fysica die op grotere schaal wordt gezien. Bijvoorbeeld, wanneer koolstof wordt gerangschikt in een atomair dunne laag om 2-D grafeen te vormen, het is sterker dan staal, geleidt warmte beter dan enig ander bekend materiaal, en heeft bijna nul elektrische weerstand.

Maar het gebruik van 2D-materialen in toepassingen in de echte wereld vereist een beter begrip van hun eigenschappen, en het vermogen om die eigenschappen te beheersen. De nieuwe studie, die werd gepubliceerd in Natuurmaterialen , zou daarin een stap voorwaarts kunnen zijn.

De onderzoekers toonden aan dat hun 3D-kaarten van de atomaire structuur van het materiaal nauwkeurig zijn tot op de picometerschaal - gemeten in een biljoenste van een meter. Ze gebruikten hun metingen om defecten in het 2D-materiaal te kwantificeren, die hun elektronische eigenschappen kunnen beïnvloeden, evenals om die elektronische eigenschappen nauwkeurig te beoordelen.

"Het unieke aan dit onderzoek is dat we de coördinaten van individuele atomen in drie dimensies bepalen zonder gebruik te maken van reeds bestaande modellen, " zei corresponderende auteur Jianwei "John" Miao, een UCLA hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. "En onze methode kan voor allerlei 2D-materialen worden gebruikt."

Miao is de plaatsvervangend directeur van het STROBE National Science Foundation Science and Technology Center en lid van het California NanoSystems Institute aan de UCLA. Zijn UCLA-lab werkte aan het onderzoek samen met onderzoekers van de Harvard University, Oak Ridge National Laboratory en Rice University.

De onderzoekers onderzochten een enkele laag molybdeendisulfide, een veel bestudeerd 2D-materiaal. massaal, deze verbinding wordt gebruikt als smeermiddel. Als een 2D-materiaal, het heeft elektronische eigenschappen die suggereren dat het kan worden gebruikt in halfgeleiderelektronica van de volgende generatie. De onderzochte monsters waren "gedoteerd" met sporen van rhenium, een metaal dat extra elektronen toevoegt bij het vervangen van molybdeen. Dat soort doping wordt vaak gebruikt om componenten voor computers en elektronica te produceren, omdat het de stroom van elektronen in halfgeleiderapparaten vergemakkelijkt.

Om het 2D-materiaal te analyseren, de onderzoekers gebruikten een nieuwe technologie die ze ontwikkelden op basis van scanning transmissie-elektronenmicroscopie, die beelden produceert door verstrooide elektronen te meten die door dunne monsters worden gestraald. Miao's team bedacht een techniek genaamd scanning atomaire elektronentomografie, die 3D-beelden produceert door een monster onder meerdere hoeken vast te leggen terwijl het roteert.

De wetenschappers moesten één grote uitdaging vermijden om de afbeeldingen te produceren:2D-materialen kunnen worden beschadigd door te veel blootstelling aan elektronen. Dus voor elk monster de onderzoekers reconstrueerden afbeeldingen sectie voor sectie en hechtten ze vervolgens aan elkaar om een ​​enkel 3D-beeld te vormen, waardoor ze minder scans en dus een lagere dosis elektronen konden gebruiken dan wanneer ze het hele monster in één keer hadden afgebeeld.

De twee monsters waren elk 6 nanometer bij 6 nanometer groot, en elk van de kleinere secties was ongeveer 1 nanometer bij 1 nanometer. (Een nanometer is een miljardste van een meter.)

Met de resulterende beelden konden de onderzoekers de 3D-structuur van de monsters inspecteren met een precisie van 4 picometer in het geval van molybdeenatomen - 26 keer kleiner dan de diameter van een waterstofatoom. Dat niveau van precisie stelde hen in staat om rimpelingen te meten, spanning die de vorm van het materiaal vervormt, en variaties in de grootte van chemische bindingen, alle veranderingen veroorzaakt door het toegevoegde rhenium, wat de meest nauwkeurige meting ooit is van die kenmerken in een 2D-materiaal.

"Als we er gewoon van uitgaan dat het invoeren van de doteerstof een eenvoudige vervanging is, we zouden geen grote soorten verwachten, " zei Xuezeng Tian, de co-eerste auteur van het papier en een UCLA-postdoctoraal wetenschapper. "Maar wat we hebben waargenomen is ingewikkelder dan eerdere experimenten hebben aangetoond."

De wetenschappers ontdekten dat de grootste veranderingen plaatsvonden in de kleinste dimensie van het 2D-materiaal, zijn hoogte van drie atomen. Er was maar een enkel rheniumatoom voor nodig om zo'n lokale vervorming te introduceren.

Gewapend met informatie over de 3D-coördinaten van het materiaal, wetenschappers van Harvard onder leiding van professor Prineha Narang voerden kwantummechanische berekeningen uit van de elektronische eigenschappen van het materiaal.

"Deze experimenten op atomaire schaal hebben ons een nieuwe kijk gegeven op hoe 2D-materialen zich gedragen en hoe ze moeten worden behandeld in berekeningen, en ze zouden een game changer kunnen zijn voor nieuwe kwantumtechnologieën, ' zei Narang.

Zonder toegang tot het soort metingen dat in het onderzoek is gegenereerd, dergelijke kwantummechanische berekeningen zijn conventioneel gebaseerd op een theoretisch modelsysteem dat wordt verwacht bij een temperatuur van het absolute nulpunt.

De studie gaf aan dat de gemeten 3D-coördinaten leidden tot nauwkeurigere berekeningen van de elektronische eigenschappen van het 2D-materiaal.

"Ons werk zou kwantummechanische berekeningen kunnen transformeren door experimentele 3D-atoomcoördinaten als directe invoer te gebruiken, " zei UCLA-postdoctoraal wetenschapper Dennis Kim, een co-eerste auteur van de studie. "Deze aanpak moet materiaalingenieurs in staat stellen om nieuwe fysieke, chemische en elektronische eigenschappen van 2D-materialen op het niveau van één atoom."