In recente jaren, ingenieurs hebben manieren gevonden om de eigenschappen van sommige "tweedimensionale" materialen te wijzigen, die slechts één of enkele atomen dik zijn, door twee lagen op elkaar te stapelen en de ene iets ten opzichte van de andere te draaien. Hierdoor ontstaan ​​zogenaamde moirépatronen, waar kleine verschuivingen in de uitlijning van atomen tussen de twee vellen patronen op grotere schaal creëren. Het verandert ook de manier waarop elektronen door het materiaal bewegen, op potentieel bruikbare manieren.

Maar voor praktische toepassingen zulke tweedimensionale materialen moeten op een gegeven moment aansluiten bij de gewone wereld van 3D-materialen. Een internationaal team onder leiding van MIT-onderzoekers heeft nu een manier bedacht om in beeld te brengen wat er op deze interfaces gebeurt, tot op het niveau van individuele atomen, en het correleren van de moiré-patronen op de 2-D-3-D-grens met de resulterende veranderingen in de eigenschappen van het materiaal.

De nieuwe bevindingen worden vandaag beschreven in het tijdschrift Natuurcommunicatie , in een paper van MIT-afgestudeerde studenten Kate Reidy en Georgios Varnavides, hoogleraren materiaalkunde en techniek Frances Ross, Jim LeBeau, en Polina Anikeeva, en vijf anderen aan het MIT, Harvard universiteit, en de Universiteit van Victoria in Canada.

Paren van tweedimensionale materialen zoals grafeen of hexagonaal boornitride kunnen verbazingwekkende variaties in hun gedrag vertonen wanneer de twee vellen slechts een klein beetje gedraaid zijn ten opzichte van elkaar. Dat zorgt ervoor dat de kippengaasachtige atoomroosters moiré-patronen vormen, de soorten vreemde banden en klodders die soms verschijnen bij het maken van een foto van een afgedrukte afbeelding, of via een raamscherm. In het geval van 2D-materialen, "het lijkt van alles, alle interessante materiaaleigenschappen die je maar kunt bedenken, je kunt op de een of andere manier moduleren of veranderen door de 2D-materialen ten opzichte van elkaar te draaien, " zegt Roos, wie is de Ellen Swallow Richards Professor aan het MIT.

Hoewel deze 2D-combinaties wereldwijd wetenschappelijke aandacht hebben getrokken, ze zegt, er is weinig bekend over wat er gebeurt waar 2D-materialen reguliere 3D-vaste stoffen ontmoeten. "Wat ons interesseerde in dit onderwerp, "Ros zegt, was "wat er gebeurt als een 2D-materiaal en een 3D-materiaal worden samengevoegd. Ten eerste, hoe meet je de atomaire posities op, en dichtbij, de interface? Ten tweede, wat zijn de verschillen tussen een 3D-2-D en een 2D-2-D interface? En ten derde, hoe je het zou kunnen beheersen - is er een manier om opzettelijk de grensvlakstructuur te ontwerpen om de gewenste eigenschappen te produceren?

Uitzoeken wat er precies gebeurt op dergelijke 2-D-3-D-interfaces was een enorme uitdaging, omdat elektronenmicroscopen een beeld produceren van het monster in projectie, en ze zijn beperkt in hun vermogen om diepte-informatie te extraheren die nodig is om details van de interfacestructuur te analyseren. Maar het team bedacht een reeks algoritmen waarmee ze terug konden extrapoleren van afbeeldingen van het monster, die enigszins lijken op een reeks overlappende schaduwen, om erachter te komen welke configuratie van gestapelde lagen die complexe 'schaduw' zou opleveren.

Het team maakte gebruik van twee unieke transmissie-elektronenmicroscopen bij MIT die een combinatie van mogelijkheden mogelijk maken die ongeëvenaard is in de wereld. Bij een van deze instrumenten een microscoop is rechtstreeks verbonden met een fabricagesysteem, zodat monsters ter plaatse kunnen worden geproduceerd door afzettingsprocessen en onmiddellijk rechtstreeks in het beeldvormingssysteem kunnen worden ingevoerd. Dit is een van de weinige van dergelijke faciliteiten wereldwijd, die een ultrahoog vacuümsysteem gebruiken dat voorkomt dat zelfs de kleinste onzuiverheden het monster verontreinigen terwijl de 2-D-3-D-interface wordt voorbereid. Het tweede instrument is een scanning-transmissie-elektronenmicroscoop in de nieuwe onderzoeksfaciliteit van MIT, MIT.nano. Deze microscoop heeft een uitstekende stabiliteit voor beeldvorming met hoge resolutie, evenals meerdere beeldvormingsmodi voor het verzamelen van informatie over het monster.

In tegenstelling tot gestapelde 2D-materialen, waarvan de oriëntatie relatief eenvoudig kan worden veranderd door simpelweg een laag op te pakken, een beetje draaien, en weer neerleggen, de bindingen die 3D-materialen bij elkaar houden zijn veel sterker, dus moest het team nieuwe manieren ontwikkelen om uitgelijnde lagen te verkrijgen. Om dit te doen, ze voegden het 3D-materiaal toe aan het 2D-materiaal in ultrahoog vacuüm, het kiezen van groeiomstandigheden waarbij de lagen zelf-geassembleerd in een reproduceerbare oriëntatie met specifieke graden van twist. "We moesten een structuur laten groeien die op een bepaalde manier zou worden uitgelijnd, ' zegt Reidi.

Nadat de materialen zijn gegroeid, ze moesten vervolgens uitzoeken hoe ze de atomaire configuraties en oriëntaties van de verschillende lagen konden onthullen. Een scanning transmissie-elektronenmicroscoop produceert in feite meer informatie dan op een plat beeld lijkt; in feite, elk punt in de afbeelding bevat details van de paden waarlangs de elektronen arriveerden en vertrokken (het proces van diffractie), evenals alle energie die de elektronen tijdens het proces verloren. Al deze gegevens kunnen worden gescheiden, zodat de informatie op alle punten in een afbeelding kan worden gebruikt om de werkelijke vaste structuur te decoderen. Dit proces is alleen mogelijk voor state-of-the-art microscopen, zoals die in MIT.nano, die een sonde van elektronen genereert die ongewoon smal en nauwkeurig is.

De onderzoekers gebruikten een combinatie van technieken genaamd 4-D STEM en geïntegreerd differentieel fasecontrast om dat proces te bereiken waarbij de volledige structuur aan de interface uit het beeld wordt gehaald. Vervolgens, Varnavides zegt, zij vroegen, "Nu we de volledige structuur op de interface kunnen afbeelden, wat betekent dit voor ons begrip van de eigenschappen van deze interface?" De onderzoekers toonden door middel van modellering aan dat elektronische eigenschappen naar verwachting zullen worden gewijzigd op een manier die alleen kan worden begrepen als de volledige structuur van de interface wordt opgenomen in de fysische theorie. "Wat we vonden is dat inderdaad deze stapeling, de manier waarop de atomen buiten het vlak worden gestapeld, moduleert de elektronische en ladingsdichtheidseigenschappen, " hij zegt.

Ross zegt dat de bevindingen kunnen leiden tot verbeterde soorten knooppunten in sommige microchips, bijvoorbeeld. "Elk 2D-materiaal dat in een apparaat wordt gebruikt, moet in de 3D-wereld bestaan, en dus moet het op de een of andere manier een verbinding hebben met driedimensionale materialen, "zegt ze. Dus, met dit beter begrip van die interfaces, en nieuwe manieren om ze in actie te bestuderen, "we zijn in goede vorm om constructies met gewenste eigenschappen te maken op een soort geplande in plaats van ad hoc manier."

"De gebruikte methodologie heeft het potentieel om uit de verworven lokale diffractiepatronen de modulatie van het lokale elektronenmomentum te berekenen, " hij zegt, eraan toevoegend dat "de hier getoonde methodologie en het onderzoek een uitstekende toekomst hebben en veel belangstelling hebben voor de materiaalwetenschappelijke gemeenschap."

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.