Monolaag kristallen, vaak aangeduid als 2D-kristallen of 2D-materialen, bezit het unieke kenmerk van het hebben van een enkele laag met een regelmatige atomaire structuur. En hoe regelmatiger de structuur is, hoe hoger de kwaliteit van het kristal. In sommige gevallen, de atomaire structuur wordt tot in de perfectie herhaald, maar meestal - zoals meestal het geval is in de natuur - zijn er enkele gebreken.

Molybdeendisulfide (MoS ₂ ), een zwart kristal dat lijkt op grafiet, is een voorbeeld van een kristal dat zo'n gelaagde structuur heeft waarin defecten aanwezig kunnen zijn. "De atomen in de monolaag MoS ₂ zijn gerangschikt in drie lagen, als een sandwich - een onderste laag van zwavelatomen, en dan een laag metaalatomen, en tenslotte nog een laag zwavelatomen, " zegt Aleksandra Radenovic, het hoofd van het laboratorium voor nanoschaalbiologie aan de EPFL's School of Engineering. "Maar soms, sommige zwavelatomen ontbreken, wat leidt tot leegstandsdefecten in de kristallen. Dergelijke defecten kunnen ook gunstig zijn. Bijvoorbeeld, ze katalyseren de watersplitsingsreactie om waterstof te produceren of dienen als doelwitplaatsen in detectoren van biomoleculen. Daarom zijn we geïnteresseerd in deze gebreken, vooral in hun gedrag in vloeistof."

Radenovi, samen met postdoc Miao Zhang, Martina Lichter, voormalig Ph.D. student, en medewerkers, studeerde MoS ₂ monsters en ontwikkelde een methode om dit soort defecten in vloeistof, wat leidt tot een beter begrip van de eigenschappen van het materiaal. Bij elektronenmicroscopie, die directe visualisatie van defecten met een uitstekende resolutie mogelijk maakt dankzij het gebruik van een elektronenbundel met hoge energie, vacuümomgeving is vereist. "Metingen in de vloeistof zijn nog steeds een uitdaging, " zegt Radenovic. Om de defectlocaties in vloeistof te kunnen visualiseren, Het LBEN-team paste de optische microscopie-beeldvormingsmodaliteit aan die Point Accumulation in Nanoscale Topography wordt genoemd, VERF. Het werk is onlangs gepubliceerd in ACS Nano .

Licht werpen op gebreken

Omdat de monolaag MoS ₂ kristal is slechts drie lagen atomen dun, het is bijna transparant, waardoor de wetenschappers het kunnen observeren door een dun glazen dekglaasje aan op een omgekeerde microscoop. "We hebben ons monster in een waterige oplossing geplaatst om de activiteit van de defecten in de vloeibare omgeving te bestuderen, ' zegt Lieter.

De wetenschappers gebruikten vervolgens fluorescerende thiol-sondes die specifiek binden aan de zwavelvacatures. "Door een laserstraal op het monster te richten, we zijn in staat om een ​​enkele sonde die aan een defect is gebonden direct te zien en zijn positie precies te lokaliseren, ", zegt Zhang. Het blijkt dat een dergelijke binding onder bepaalde omstandigheden omkeerbaar is. Door een dergelijke willekeurige tijdelijke binding bij defecten gedurende een bepaalde periode in beeld te brengen, als herinnering aan de PAINT-strategie, de wetenschappers waren in staat om de gebreken van het kristal te identificeren en te tellen en de onvolkomenheden te kwantificeren, allemaal op relatief grote schaal. "Op deze manier, we konden ook observeren hoe de defecten in wisselwerking stonden met hun omgeving, " zegt Zhang.

De eigenschappen van een materiaal wijzigen

De zwavelvacatures hebben tot gevolg dat de eigenschappen van het materiaal veranderen. MoS ₂ is een halfgeleidend materiaal dat wordt gebruikt om chips voor elektronische apparaten te maken. De experimenten van het team van Radenovic waren dan ook niet alleen bedoeld om defecten in kaart te brengen, maar ook om het gedrag van het materiaal te bestuderen om de gebreken te genezen. "Een onregelmatige atomaire structuur wijzigt de manier waarop elektronen in een materiaal bewegen en de mobiliteit van de drager, ", zegt Radenovic. "Daardoor verandert zijn eigenschappen."

Terwijl de wetenschappers zich concentreerden op MoS ₂ voor deze studie, hun methode is toepasbaar op andere materialen in dezelfde familie (overgangsmetaal dichalcogenide) die een atomaire sandwichstructuur hebben.