Wetenschap
Atoom voor atoom:structurele transformaties in 2D-materialen in beeld brengen
Op silicium gebaseerde elektronica nadert haar fysieke beperkingen en er zijn nieuwe materialen nodig om aan de huidige technologische eisen te voldoen. Tweedimensionale (2D) materialen hebben een rijk scala aan eigenschappen, waaronder supergeleiding en magnetisme, en zijn veelbelovende kandidaten voor gebruik in elektronische systemen, zoals transistors. Het nauwkeurig controleren van de eigenschappen van deze materialen is echter buitengewoon moeilijk.
In een poging te begrijpen hoe en waarom 2D-interfaces de structuren aannemen die ze aannemen, hebben onderzoekers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign een methode ontwikkeld om de thermisch geïnduceerde herschikking van 2D-materialen, atoom voor atoom, van gedraaid naar atoom te visualiseren. uitgelijnde structuren met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM).
Ze observeerden een nieuw en onverwacht mechanisme voor dit proces waarbij een nieuw graan werd gezaaid binnen één monolaag, waarvan de structuur werd gevormd door de aangrenzende laag. Door de macroscopische draaiing tussen lagen te kunnen beheersen, is er meer controle over de eigenschappen van het hele systeem mogelijk.
Dit onderzoek, geleid door professor materiaalkunde en techniek Pinshane Huang en postdoctoraal onderzoeker Yichao Zhang, is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .
"Hoe de interfaces van de dubbellaag op elkaar aansluiten en via welk mechanisme ze in een andere configuratie veranderen, is erg belangrijk", zegt Zhang. "Het controleert de eigenschappen van het gehele dubbellaagsysteem, wat op zijn beurt zowel het gedrag op nanoschaal als op microscopisch niveau beïnvloedt."
De structuur en eigenschappen van 2D-meerlagen zijn vaak zeer heterogeen en variëren sterk tussen monsters en zelfs binnen een individueel monster. Twee apparaten met slechts een paar graden draaiing tussen de lagen kunnen verschillend gedrag vertonen. Het is ook bekend dat 2D-materialen zich herconfigureren onder externe prikkels zoals verwarming, wat optreedt tijdens het fabricageproces van elektronische apparaten.
"Mensen beschouwen de twee lagen meestal als twee vellen papier die 45° ten opzichte van elkaar zijn gedraaid. Om de lagen van gedraaid naar uitgelijnd te krijgen, draai je gewoon het hele vel papier", zegt Zhang. "Maar wat we feitelijk hebben ontdekt, is dat het een kern heeft – een gelokaliseerd domein op nanoschaal – en dit domein wordt steeds groter. Onder de juiste omstandigheden zou dit domein de volledige omvang van de dubbellaag kunnen overnemen." /P>
Hoewel onderzoekers hebben gespeculeerd dat dit zou kunnen gebeuren, is er geen enkele directe visualisatie op atomaire schaal geweest die de theorie bewijst of weerlegt. Zhang en de andere onderzoekers waren echter in staat om de beweging van individuele atomen direct te volgen en het kleine, uitgelijnde domein te zien groeien. Ze merkten ook op dat uitgelijnde gebieden zich konden vormen bij relatief lage temperaturen, ~200°C, binnen het bereik van typische verwerkingstemperaturen voor 2D-apparaten.
Er zijn geen camera's die klein en snel genoeg zijn om de atomaire dynamiek vast te leggen. Hoe kon het team deze atoom-voor-atoom beweging visualiseren? De oplossing is zeer uniek. Ze kapselden eerst de gedraaide dubbellaag in grafeen in en bouwden er in feite een kleine reactiekamer omheen, om de dubbellaag met atomaire resolutie te bekijken terwijl deze werd verwarmd. Inkapseling door grafeen helpt de atomen van de dubbellaag op hun plaats te houden, zodat elke structurele transformatie kan worden waargenomen in plaats van dat het rooster wordt vernietigd door hoogenergetische elektronen van de TEM.
De ingekapselde dubbellaag werd vervolgens op een chip geplaatst die snel kon worden verwarmd en afgekoeld. Om de snelle atomaire dynamiek vast te leggen, onderging het monster hittepulsen van een halve seconde tussen 100 en 1000 ° C. Na elke puls keek het team waar de atomen TEM gebruikten en herhaalde vervolgens het proces.
"Je kunt het systeem zien terwijl het verandert, terwijl de atomen zich nestelen van de configuratie waarin ze aanvankelijk waren geplaatst, naar de configuratie die energetisch gunstig is, waarin ze willen verkeren", legt Huang uit. "Dat kan ons helpen zowel de oorspronkelijke structuur te begrijpen zoals deze is vervaardigd, als hoe deze evolueert met hitte."
Als u begrijpt hoe herschikking plaatsvindt, kunt u de uitlijning van het grensvlak op nanoschaal afstemmen. "Het is onmogelijk te onderstrepen hoe enthousiast mensen zijn over die afstembaarheid", zegt Huang.
"De macroscopische draaiing tussen de twee lagen is een heel belangrijke parameter, omdat je, als je de een op de ander roteert, feitelijk de eigenschappen van het hele systeem kunt veranderen. Als je bijvoorbeeld het 2D-materiaal grafeen naar een specifieke hoek roteert, wordt het Als je sommige materialen roteert, verander je de bandafstand, waardoor de kleur van het licht dat het absorbeert verandert en de energie die het uitstraalt. Al deze dingen verander je door de oriëntatie van de atomen tussen de lagen te veranderen."