Forskere tager et dybt dyk ned i den uperfekte verden af ​​2-D materialer

Intet er perfekt, eller så siger man, og det er ikke altid en dårlig ting. I en undersøgelse ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), forskere lærte, hvordan defekter i nanoskala kan forbedre egenskaberne af en ultratynd, såkaldt 2-D materiale.

De kombinerede en værktøjskasse af teknikker til at bruge på naturlige, defekter i nanoskala dannet ved fremstillingen af ​​små flager af et enkeltlagsmateriale kendt som wolframdisulfid (WS2) og målte deres elektroniske effekter i detaljer, hvilket ikke var muligt før.

"Normalt siger vi, at defekter er dårlige for et materiale, "sagde Christoph Kastl, en postdoc-forsker ved Berkeley Lab's Molecular Foundry og hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano . "Her leverer de funktionalitet."

Wolframdisulfid er et velundersøgt 2D-materiale, der, ligesom andre 2-D materialer af sin art, udviser særlige egenskaber på grund af dens atomiske tyndhed. Det er især kendt for sin effektivitet til at absorbere og udsende lys, og det er en halvleder.

Medlemmer af denne familie af 2D-materialer kunne tjene som højeffektive computertransistorer og som andre elektronikkomponenter, og de er også de bedste kandidater til brug i ultratynde, højeffektive solceller og LED-belysning, samt i kvantecomputere.

Disse 2D-materialer kunne også inkorporeres i nye former for hukommelseslagring og dataoverførsel, såsom spintronics og valleytronics, der ville revolutionere elektronik ved at gøre brug af materialer på nye måder til at lave mindre og mere effektive enheder.

Det seneste resultat markerer det første omfattende studie på Labs Advanced Light Source (ALS), der involverer en teknik kaldet nanoARPES, som forskere fik til at sondere 2-D prøverne med røntgenstråler. Røntgenstrålerne slog elektronerne ud i prøven, giver forskere mulighed for at måle deres retning og energi. Dette afslørede nanoskala defekter og hvordan elektronerne interagerer med hinanden.

NanoARPES-kapaciteten er anbragt i en røntgenstrålelinje, lanceret i 2016, kendt som MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory). Det er en af ​​snesevis af specialiserede beamlines på ALS, som producerer lys i forskellige former-fra infrarød til røntgenstråler-til en række samtidige eksperimenter.

"Det er et meget stort fremskridt at få denne elektroniske struktur på skalaer med små længder, "sagde Eli Rotenberg, en senior videnskabsmand ved ALS, der var en drivkraft i udviklingen af ​​MAESTRO og fungerede som en af ​​undersøgelsens ledere. "Det betyder noget for rigtige enheder."

Holdet benyttede også en teknik kendt som XPS (røntgenfotoelektronspektroskopi) til at studere den kemiske sammensætning af en prøve i meget små skalaer; en form for AFM (atomic force microscopy) for at se strukturelle detaljer, der nærmer sig atomskalaen; og en kombineret form for optisk spektroskopi (Raman/fotoluminescensspektroskopi) for at studere, hvordan lys interagerer med elektronerne på mikroskopskalaer.

De forskellige teknikker blev anvendt på Molecular Foundry, hvor materialet blev syntetiseret, og på ALS. Prøven anvendt i undersøgelsen indeholdt mikroskopiske, groft trekantede flager, hver måler omkring 1 til 5 mikron (milliontedele af en meter) på tværs. De blev dyrket oven på titaniumdioxidkrystaller ved hjælp af en konventionel lagdelingsproces kendt som kemisk dampaflejring, og defekterne var stort set koncentreret omkring kanterne af flagerne, en signatur på vækstprocessen. De fleste af eksperimenterne fokuserede på en enkelt flage af wolframdisulfid.

Adam Schwartzberg, en stabsforsker ved Molecular Foundry, der fungerede som medleder i undersøgelsen, sagde, "Det tog en kombination af flere typer teknikker til at finde ud af, hvad der virkelig foregår."

Han tilføjede, "Nu hvor vi ved, hvilke defekter vi har, og hvilken effekt de har på materialets egenskaber, vi kan bruge disse oplysninger til at reducere eller eliminere defekter – eller hvis du ønsker defekten, det giver os en måde at vide, hvor fejlene er, " og giver frisk indsigt i, hvordan man udbreder og forstærker defekterne i prøveproduktionsprocessen.

Mens koncentrationen af ​​kantdefekter i WS2 flagerne var almindelig kendt før den seneste undersøgelse, Schwartzberg sagde, at deres virkninger på materialernes ydeevne ikke tidligere var blevet undersøgt på en så omfattende og detaljeret måde.

Forskere lærte, at en mangel på 10 procent i svovlatomer var forbundet med de defekte kantområder af prøverne sammenlignet med andre regioner, og de identificerede en mindre, 3 procent svovlmangel mod midten af ​​flagerne. Forskere bemærkede også en ændring i den elektroniske struktur og større overflod af frit bevægelige elektriske ladningsbærere forbundet med de højdefektede kantområder.

Til denne undersøgelse, defekterne skyldtes prøvevækstprocessen. Fremtidige nanoARPES -undersøgelser vil fokusere på prøver med defekter, der induceres gennem kemisk behandling eller andre behandlinger. Forskere håber at kontrollere mængden og slags atomer, der påvirkes, og de steder, hvor disse defekter er koncentreret i flagerne.

Sådanne små justeringer kan være vigtige for processer som katalyse, som bruges til at forbedre og accelerere mange vigtige industrielle kemiske produktionsprocesser, og at undersøge kvanteprocesser, der er afhængige af produktionen af ​​individuelle partikler, der fungerer som informationsbærere inden for elektronik.

Fordi forskning af WS2 og relaterede 2-D-materialer stadig er i sin barndom, der er mange ubekendte om, hvilken rolle specifikke typer defekter spiller i disse materialer, og Rotenberg bemærkede, at der er en verden af ​​muligheder for såkaldt "defektkonstruktion" i disse materialer.

Ud over, MAESTROs nanoARPES har evnen til at studere de elektroniske strukturer af stakke af forskellige typer 2-D materialelag. Dette kan hjælpe forskere med at forstå, hvordan deres egenskaber afhænger af deres fysiske arrangement, og at udforske arbejdsenheder, der inkorporerer 2D-materialer.

"Den hidtil usete lille skala af målingerne - der i øjeblikket nærmer sig 50 nanometer - gør nanoARPES til et fantastisk opdagelsesværktøj, der vil være særligt nyttigt til at forstå nye materialer, når de er opfundet, "Sagde Rotenberg.

MAESTRO er en af ​​de prioriterede beamlines, der skal opgraderes som en del af laboratoriets ALS Upgrade (ALS-U) projekt, et stort foretagende, der vil producere endnu lysere, mere fokuserede lysstråler til eksperimenter. "ALS-U-projektet vil yderligere forbedre ydeevnen af ​​nanoARPES-teknikken, "Sagde Rotenberg, "gør dets målinger 10 til 30 gange mere effektive og væsentligt forbedrer vores evne til at nå endnu kortere længdeskalaer."

NanoARPES kan spille en vigtig rolle i udviklingen af ​​nye solteknologier, fordi det giver forskere mulighed for at se, hvordan variationer i nanoskala i kemisk sammensætning, antal fejl, og andre strukturelle træk påvirker elektronerne, der i sidste ende styrer deres ydeevne. De samme spørgsmål er vigtige for mange andre komplekse materialer, såsom superledere, magneter, og termoelektrik – som konverterer temperatur til strøm og omvendt – så nanoARPES vil også være meget anvendelige til disse.