Udfasning af et mikroskop tricks

En instrumentfejl kan føre til fuldstændig fejlidentifikation af visse krystaller, rapporterer en KAUST-undersøgelse, der antyder, at forskere skal udvise forsigtighed, når de bruger elektronmikroskoper til at sondere todimensionelle (2-D) halvledere.

2-D overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er) bliver udnyttet til nye elektroniske enheder, fordi de kan eksistere i flere krystalfaser med egenskaber lige fra halvledende til metalliske. Forskere bruger flere værktøjer til at optrevle struktur-egenskabsforhold i forskellige TMD-faser, men en af ​​de mest kritiske er scanningstransmissionselektronmikroskopet. Dette instrument er i stand til både at opløse atomer på overflader og kemisk identificere dem ved hjælp af variationer i billedkontrast.

Areej Aljarb, en materialeforsker, der arbejder i Vincent Tungs gruppe på KAUST, blev for nylig karakteriseret TMD'er lavet af molybdændisulfid (MoS ₂ ), da hun opdagede noget bekymrende. Selvom den første spektroskopiske analyse viste, at hun havde produceret halvledende 2-D film, transmissionselektronmikroskopbillederne indikerede, at MoS ₂ havde arrangeret i en metallisk krystalfase.

For at løse denne forskel, holdet fik hjælp fra Sergei Lopatin, ekspert i mikroskopi. Sammen, de bemærkede, at elektronstrålerne fra deres avancerede instrumenter havde usædvanlige intensitetsmønstre, når de kontaktede TMD-overfladen. I stedet for de forventede sfæriske former, strålens intensitetsprofiler virkede trekantede. "Dette var et klart bevis på et billedfokuseringsproblem kendt som astigmatisme, " bemærker Lopatin.

Linserne, der bruges til at fokusere elektronmikroskopstråler, indeholder altid små ufuldkommenheder, der kan sløre billeder, især ved opløsninger på atomare skala. Holdet indså, at de observerede astigmatiske effekter kan påvirke kontrasten af ​​atomer, der optræder på overfladen. Ved at korrelere computersimuleringer af MoS ₂ overflade med eksperimentel mikroskopi, de så flere tilfælde, hvor krystalfaser kunne være fejlidentificeret på grund af svovlatomer, der ændrede udseende - og endda forsvinder - under billeddannelse.

"Atomkontrast kan være et stærkt værktøj til at udlede krystalfaser, men disse artefakter eroderer grundlaget for sådanne forudsigelser, " siger Tung. "Det rejser muligheden for, at der måske allerede er taget mange billeder af 2-D TMD'er, der er negativt påvirket af astigmatisme."

Eksperimenter på andre 2-D overflader, inklusive grafen, bekræftet, at falske faser kan observeres i en række materialer. Forskerne viste, at disse effekter kunne afbødes ved at anvende stråler, hvor elektronerne næsten alle er energisk ækvivalente.

"Scanning transmissionselektronmikroskopi er uvurderlig til billeddannelse af krystalstrukturen af ​​2-D materialer; dog, vi skal være opmærksomme på billeddannelsesartefakter, fordi ignorering af dem kan føre til videnskabeligt falske påstande, siger Aljarb.

Undersøgelsen er publiceret i Videnskabens fremskridt .