En hurtig, ikke-destruktiv test for todimensionelle materialer

Nu, det er velforstået, at udtynding af et materiale ned til et enkelt atoms tykkelse kan dramatisk ændre dette materiales fysiske egenskaber. grafen, det bedst kendte 2D-materiale, har uovertruffen styrke og elektrisk ledningsevne, i modsætning til dens bulkform som grafit. Forskere er begyndt at studere hundredvis af andre 2-D materialer med henblik på elektronik, sansning, tidlig kræftdiagnose, vandafsaltning og en lang række andre applikationer. Nu, et hold af Penn State-forskere i Institut for Fysik og Center for Two-Dimensional and Layered Materials (2DLM) har udviklet en hurtig, ikke-destruktiv optisk metode til analyse af defekter i todimensionelle materialer.

"I halvlederindustrien, for eksempel, defekter er vigtige, fordi du kan kontrollere egenskaber gennem defekter, " sagde Mauricio Terrones, professor i fysik, materialevidenskab og teknik og kemi, Penn State. "Dette er kendt som defektteknik. Industrien ved, hvordan man kontrollerer defekter, og hvilke typer der er gode til enheder."

For virkelig at forstå, hvad der foregår i et 2-D-materiale som wolframdisulfid, som har et enkelt atomtykt lag af wolfram klemt mellem to atomlag af svovl, ville kræve et højeffekt elektronmikroskop, der er i stand til at se individuelle atomer og hullerne, kaldet ledige stillinger, hvor atomerne mangler.

"Fordelen ved transmissionselektronmikroskopi (TEM) er, at du får et billede, og du kan se direkte, hvad der foregår - du får direkte beviser, sagde Bernd Kabius, stabsforsker ved Penn State's Materials Research Institute, en ekspert i TEM og en medforfatter på papiret, der vises den 28. april i onlinetidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Ulemperne, ifølge Kabius, er en øget mulighed for beskadigelse af det sarte 2D-materiale, den komplekse forberedelse, der kræves af prøven og den involverede tid - en hel dags instrumenttid til at afbilde en enkelt prøve og en uge eller mere til at fortolke resultaterne. Af de grunde, og andre, forskere vil gerne kombinere TEM med en anden metode til at se på prøven, der er enklere og hurtigere.

Teknikken udviklet af Terrones og hans team bruger en optisk metode, fluorescerende mikroskopi, hvor en laser af en bestemt bølgelængde skinner på en prøve og de exciterede elektroner, presset til et højere energiniveau, hver udsender en foton med en længere bølgelængde, når elektronen falder ned til et lavere energiniveau. Bølgelængden, eller lysets farve, kan måles ved spektroskopi og giver information om defekttype og placering på prøven. Disse data vises som toppe på en graf, som holdet derefter korrelerede med visuel bekræftelse under TEM. Teoretiske beregninger hjalp også med at validere de optiske resultater. Et nødvendigt trin i processen kræver at prøven placeres i en temperaturkontrolleret prøveholder, eller scene, og sænke temperaturen til 77 kelvin, næsten 200 grader C under nul. Ved denne temperatur, elektron-hul-parrene, der producerer fluorescensen, er bundet til defekten - i tilfælde af dette arbejde en gruppe af svovl ledige pladser i det øverste lag af sandwich - og udsender et signal stærkere end de uberørte områder af materialet.

"For første gang, vi har etableret en direkte sammenhæng mellem den optiske respons og mængden af ​​atomare defekter i todimensionelle materialer, " sagde Victor Carozo, tidligere postdoc i Terrones' laboratorium og første forfatter til værket.

Terrones tilføjede, "For halvlederindustrien, dette er en hurtig måling, en optisk ikke-destruktiv metode til at evaluere defekter i 2-D systemer. Det vigtige er, at vi var i stand til at korrelere vores optiske metode med TEM og også med atomistiske simuleringer. Jeg tror, ​​denne metode kan være meget nyttig til at etablere en protokol til karakterisering af 2-D krystallinske materialer."

I denne sammenhæng, medforfatter Yuanxi Wang, en postdoc forsker i 2DLM og en teoretiker, tilføjet, "Vores beregninger viser, at elektroner fanget af ledige stillinger udsender lys ved andre bølgelængder end emissionen fra defektfrie områder. Regioner, der udsender lys ved disse bølgelængder, kan nemt identificere ledige stillinger i prøver."

Og Vincent Crespi, anerkendt professor i fysik, Materialevidenskab og teknik og kemi, Penn State, sagde "Vi kan ikke blot etablere en empirisk sammenhæng mellem tilstedeværelsen af ​​visse defekter og modificeret lysudsendelse, men også identificere årsagen til denne sammenhæng gennem beregninger med de første principper."

Enhedsapplikationer, der kunne forbedres af dette arbejde, omfatter membraner med selektive porestørrelser til fjernelse af salt fra vand eller til DNA-sekventering, gassensing, når gasmolekyler binder sig til specifikke ledige stillinger og doping af 2-D materialer, som er tilsætning af fremmede atomer for at forbedre egenskaberne.