En metode til at afsløre spændinger, der ændrer et materiales egenskaber

Spændinger og belastninger kan drastisk ændre et materiales egenskaber, og TU Wien har nu udviklet en metode til at synliggøre disse indre deformationer.

Todimensionelle materialer såsom grafen, som kun består af et eller nogle få atomlag, har været et meget lovende aspekt af materialevidenskab gennem de seneste år. De demonstrerer bemærkelsesværdige egenskaber, der åbner helt nye tekniske muligheder, fra sensorteknologi til solceller.

Imidlertid, der er et vigtigt fænomen, som ikke kunne måles nøjagtigt indtil nu:de ekstreme interne belastninger og belastninger, som sådanne materialer kan blive udsat for, som ofte drastisk ændrer materialets fysiske egenskaber. TU Wien har nu med succes målt disse forvrængninger i 2-D materialer på mikroskopisk niveau, hvilket betyder, at det nu er muligt at observere præcist (punkt for punkt), hvordan et materiales egenskaber kan ændres som følge af en simpel forvrængning. Disse nye målemetoder er nu publiceret i fagtidsskriftet Naturkommunikation .

Udstrækning og kompression

Når et materiale strækkes eller komprimeres, afstanden mellem de enkelte atomer ændres, og denne afstand har indflydelse på materialets elektroniske egenskaber. Dette fænomen er blevet brugt i halvlederteknologi i årevis:siliciumkrystaller, for eksempel, kan dyrkes, så de er permanent under indre mekanisk belastning.

Imidlertid, todimensionelle materialer, som kun består af et ultratyndt lag, tilbyder meget større potentiale:"En krystal kan strækkes med måske en procent, før den går i stykker. Med 2-D materialer, deformation på ti eller tyve procent er mulig", siger prof. Thomas Müller fra Photonics Institute (Fakultetet for Elektroteknik og Informationsteknologi) ved TU Wien. Afhængigt af deformation og mekaniske spændinger i materialet, de elektroniske egenskaber kan ændre sig fuldstændigt, såsom elektronernes evne til at absorbere indkommende lys.

"Indtil nu, hvis du ville måle spændinger i denne type materiale, måtte du stole på ekstremt komplicerede målemetoder", forklarer Lukas Mennel (TU Wien), hovedforfatter af publikationen. For eksempel, du kunne observere overfladen ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop, mål den gennemsnitlige afstand mellem atomerne og udled derefter eventuel strækning eller kompression fra det. På TU Wien, denne proces er nu blevet gjort meget enklere og mere præcis.

Rødt lys ind, blåt lys ude

Her, en bemærkelsesværdig effekt kaldet frekvensfordobling bruges:"Hvis du bestråler specifikke materialer - i vores tilfælde et lag af molybdændisulfid - med en passende laserstråle, materialet kan reflektere modlys af en anden farve", forklarer Thomas Müller. To fotoner i den indkommende laserstråle kombineres for at danne en foton med dobbelt energi, som udsendes fra materialet.

Imidlertid, intensiteten af ​​denne effekt afhænger af materialets indre symmetri. Som regel, molybdændisulfid har en honeycomb-lignende struktur, altså sekskantet symmetri. Hvis materialet strækkes eller komprimeres, denne symmetri er let forvrænget – og denne lille forvrængning har en dramatisk effekt på intensiteten af ​​det lys, der reflekteres tilbage fra materialet.

Hvis du placerer et lag molybdændisulfid over en mikrostruktur, som at lægge et gummitæppe over et klatrestativ, resultatet er et komplekst mønster af lokale forvrængninger. Du kan nu bruge en laser til at scanne materialet punkt for punkt og dermed få et detaljeret kort over disse strækninger og kompressioner. "Derved, ikke kun kan vi måle sværhedsgraden af ​​disse deformationer, men vi kan også se den nøjagtige retning, de løber i", forklarer Lukas Mennel.

Disse billeddannelsesmetoder kan nu bruges til de lokale, målrettet justering af materialeegenskaber. "For eksempel, tilpassede materialedeformationer i solceller kunne sikre, at gratis ladningsbærere spredes væk i den rigtige retning så hurtigt som muligt", siger Thomas Müller. Denne forskning i 2D-materialer betyder, at en ny, kraftfuldt værktøj er nu tilgængeligt.