Forskning producerer de mest nøjagtige 3-D-billeder af 2-D-materialer

Et UCLA-ledet forskerhold har produceret i hidtil usete detaljer eksperimentelle tredimensionelle kort over atomerne i et såkaldt 2-D-materiale - stof, der ikke er virkelig todimensionelt, men er næsten fladt, fordi det er arrangeret i ekstremt tynde lag, ikke mere end et par atomer tykt.

Selvom 2-D-materiale-baserede teknologier endnu ikke er blevet brugt meget i kommercielle applikationer, materialerne har været genstand for betydelig forskningsinteresse. I fremtiden, de kunne være grundlaget for halvledere i stadig mindre elektronik, kvantecomputerkomponenter, mere effektive batterier, eller filtre, der er i stand til at udvinde ferskvand fra saltvand.

Løftet om 2-D materialer kommer fra visse egenskaber, der adskiller sig fra, hvordan de samme elementer eller forbindelser opfører sig, når de optræder i større mængder. Disse unikke egenskaber er påvirket af kvanteeffekter - fænomener, der forekommer i ekstremt små skalaer, der er fundamentalt forskellige fra den klassiske fysik set i større skalaer. For eksempel, når kulstof er arrangeret i et atomisk tyndt lag for at danne 2-D grafen, det er stærkere end stål, leder varme bedre end noget andet kendt materiale, og har næsten nul elektrisk modstand.

Men at bruge 2D-materialer i applikationer fra den virkelige verden ville kræve en større forståelse af deres egenskaber, og evnen til at kontrollere disse egenskaber. Den nye undersøgelse, som blev offentliggjort i Naturmaterialer , kunne være et skridt fremad i den indsats.

Forskerne viste, at deres 3-D-kort over materialets atomstruktur er præcise til picometer-skalaen - målt i en trilliontedel af en meter. De brugte deres målinger til at kvantificere defekter i 2D-materialet, som kan påvirke deres elektroniske egenskaber, samt at vurdere disse elektroniske egenskaber nøjagtigt.

"Det unikke ved denne forskning er, at vi bestemmer koordinaterne for individuelle atomer i tre dimensioner uden at bruge nogen allerede eksisterende modeller, " sagde den tilsvarende forfatter Jianwei "John" Miao, en UCLA professor i fysik og astronomi. "Og vores metode kan bruges til alle slags 2-D materialer."

Miao er vicedirektør for STROBE National Science Foundation Science and Technology Center og medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA. Hans UCLA-laboratorium samarbejdede om undersøgelsen med forskere fra Harvard University, Oak Ridge National Laboratory og Rice University.

Forskerne undersøgte et enkelt lag molybdændisulfid, et ofte studeret 2D-materiale. I bulk, denne forbindelse bruges som smøremiddel. Som et 2-D materiale, det har elektroniske egenskaber, der tyder på, at det kunne bruges i næste generation af halvlederelektronik. Prøverne, der blev undersøgt, var "dopet" med spor af rhenium, et metal, der tilføjer reserveelektroner, når det erstatter molybdæn. Den slags doping bruges ofte til at producere komponenter til computere og elektronik, fordi det hjælper med at lette strømmen af ​​elektroner i halvlederenheder.

For at analysere 2D-materialet, forskerne brugte en ny teknologi, de udviklede baseret på scanningstransmissionselektronmikroskopi, som producerer billeder ved at måle spredte elektroner, der udstråles gennem tynde prøver. Miaos team udtænkte en teknik kaldet scanning atomic elektron tomography, som producerer 3-D-billeder ved at fange en prøve i flere vinkler, mens den roterer.

Forskerne måtte undgå en stor udfordring for at fremstille billederne:2D-materialer kan blive beskadiget af for meget eksponering for elektroner. Så for hver prøve, forskerne rekonstruerede billeder sektion for sektion og syede dem derefter sammen til et enkelt 3-D-billede - hvilket gjorde det muligt for dem at bruge færre scanninger og dermed en lavere dosis elektroner, end hvis de havde afbildet hele prøven på én gang.

De to prøver målte hver 6 nanometer gange 6 nanometer, og hver af de mindre sektioner målte omkring 1 nanometer gange 1 nanometer. (En nanometer er en milliarddel af en meter.)

De resulterende billeder gjorde det muligt for forskerne at inspicere prøvernes 3D-struktur med en præcision på 4 picometer i tilfælde af molybdænatomer - 26 gange mindre end diameteren af ​​et brintatom. Det præcisionsniveau satte dem i stand til at måle krusninger, belastning, der forvrænger materialets form, og variationer i størrelsen af ​​kemiske bindinger, alle ændringer forårsaget af det tilføjede rhenium - hvilket markerer den mest nøjagtige måling nogensinde af disse egenskaber i et 2-D-materiale.

"Hvis vi bare antager, at indførelsen af ​​dopingmidlet er en simpel substitution, vi ville ikke forvente store belastninger, " sagde Xuezeng Tian, avisens medførste forfatter og en UCLA postdoc. "Men det, vi har observeret, er mere kompliceret, end tidligere eksperimenter har vist."

Forskerne fandt ud af, at de største ændringer fandt sted i den mindste dimension af 2-D-materialet, dens tre atomer høje højde. Det tog så lidt som et enkelt rheniumatom at indføre en sådan lokal forvrængning.

Bevæbnet med information om materialets 3-D koordinater, forskere ved Harvard ledet af professor Prineha Narang udførte kvantemekaniske beregninger af materialets elektroniske egenskaber.

"Disse eksperimenter i atomare skala har givet os en ny linse til, hvordan 2D-materialer opfører sig, og hvordan de skal behandles i beregninger, og de kunne være en game changer for nye kvanteteknologier, " sagde Narang.

Uden adgang til den slags målinger, der genereres i undersøgelsen, sådanne kvantemekaniske beregninger er konventionelt baseret på et teoretisk modelsystem, der forventes ved en temperatur på det absolutte nulpunkt.

Undersøgelsen viste, at de målte 3-D-koordinater førte til mere nøjagtige beregninger af 2-D-materialets elektroniske egenskaber.

"Vores arbejde kunne transformere kvantemekaniske beregninger ved at bruge eksperimentelle 3-D atomare koordinater som direkte input, " sagde UCLA postdoc Dennis Kim, en medførsteforfatter af undersøgelsen. "Denne tilgang skulle gøre det muligt for materialeingeniører bedre at forudsige og opdage nye fysiske, kemiske og elektroniske egenskaber af 2D-materialer på enkeltatomniveau."