At skabe nye muligheder fra materialer i nanoskala

For hundrede år siden, "2d" betød en to-penny, eller 1-tommer, søm. I dag, "2-D" omfatter en bred vifte af atomisk tynde flade materialer, mange med eksotiske egenskaber, der ikke findes i hovedparten af ​​de samme materialer, med grafen - den enkeltatom-tykke form for kulstof - måske den mest fremtrædende. Mens mange forskere ved MIT og andre steder udforsker todimensionelle materialer og deres særlige egenskaber, Frances M. Ross, Ellen Swallow Richards professor i materialevidenskab og teknik, er interesseret i, hvad der sker, når disse 2-D materialer og almindelige 3-D materialer mødes.

"Vi er interesserede i grænsefladen mellem et 2-D-materiale og et 3-D-materiale, fordi hvert 2-D-materiale, du vil bruge i en applikation, såsom en elektronisk enhed, stadig nødt til at tale med omverdenen, som er tredimensionel, " siger Ross.

"Vi er på et interessant tidspunkt, fordi der er en enorm udvikling inden for instrumentering til elektronmikroskopi, og der er stor interesse for materialer med meget præcist kontrollerede strukturer og egenskaber, og disse to ting krydser hinanden på en fascinerende måde, " siger Ross.

"Mulighederne er meget spændende, " siger Ross. "Vi vil virkelig forbedre karakteriseringsevnerne her på MIT." Ross har specialiseret sig i at undersøge, hvordan materialer i nanoskala vokser og reagerer i både gasser og flydende medier, ved at optage film ved hjælp af elektronmikroskopi. Mikroskopi af reaktioner i væsker er særlig nyttig til at forstå mekanismerne for elektrokemiske reaktioner, der styrer katalysatorers ydeevne, batterier, brændstofceller, og andre vigtige teknologier. "I tilfælde af væskefasemikroskopi, du kan også se på korrosion, hvor ting opløses væk, mens man i gasser kan se på, hvordan individuelle krystaller vokser, eller hvordan materialer reagerer med, sige, ilt, " hun siger.

Ross sluttede sig til Institut for Materials Science and Engineering (DMSE) fakultet sidste år, flytter fra nanoskala materialeanalyseafdelingen på IBM Thomas J. Watson Research Center. "Jeg lærte enormt meget af mine IBM-kolleger og håber at kunne udvide vores forskning i materialedesign og vækst i nye retninger, " hun siger.

Optagelse af film

Under et nyligt besøg i hendes laboratorium, Ross forklarede en eksperimentel opsætning doneret til MIT af IBM. Et ultrahøjt vakuum fordampersystem ankom først, skal senere fastgøres direkte på et specialdesignet transmissionselektronmikroskop. "Dette giver stærke muligheder, " forklarer Ross. "Vi kan sætte en prøve i vakuumet, rense det, gøre alle mulige ting ved det, såsom opvarmning og tilføjelse af andre materialer, overfør det derefter under vakuum til mikroskopet, hvor vi kan lave flere eksperimenter, mens vi optager billeder. Så vi kan, for eksempel, aflejre silicium eller germanium, eller fordampe metaller, mens prøven er i mikroskopet og elektronstrålen skinner igennem den, og vi optager en film af processen."

Mens man i foråret ventede på, at transmissionselektronmikroskopet blev sat op, medlemmer af Ross' syv-medlemmers forskningsgruppe, herunder materialevidenskab og ingeniør postdoc Shu Fen Tan og kandidatstuderende Kate Reidy, lavet og studeret en række selvsamlede strukturer. Fordampersystemet var midlertidigt anbragt på MIT.nanos prototyperum på femte niveau, mens Ross' laboratorium blev klargjort i bygning 13. "MIT.nano havde ressourcerne og pladsen; vi var glade for at kunne hjælpe, " siger Anna Osherov, MIT.nano assisterende direktør for brugertjenester.

"Vi er alle interesserede i denne store udfordring inden for materialevidenskab, som er:"Hvordan laver du et materiale med de egenskaber, du ønsker og, i særdeleshed, hvordan bruger du nanoskala dimensioner til at justere egenskaberne, og skabe nye ejendomme, som du ikke kan få fra bulkmaterialer?"" siger Ross.

Ved at bruge det ultrahøje vakuumsystem, kandidatstuderende Kate Reidy dannede strukturer af guld og niobium på flere 2-D materialer. "Guld elsker at vokse til små trekanter, ", bemærker Ross. "Vi har talt med folk inden for fysik og materialevidenskab om, hvilke kombinationer af materialer der er de vigtigste for dem med hensyn til at kontrollere strukturerne og grænsefladerne mellem komponenterne for at give en vis forbedring af egenskaberne ved materialet, " konstaterer hun.

Shu Fen Tan syntetiserede nikkel-platin nanopartikler og undersøgte dem ved hjælp af en anden teknik, flydende celle elektronmikroskopi. Hun kunne sørge for, at kun nikkel blev opløst, efterlader spidse skeletter af platin. "Inde i væskecellen, vi er i stand til at se hele denne proces ved høje rumlige og tidsmæssige opløsninger, " siger Tan. Hun forklarer, at platin er et ædelmetal og mindre reaktivt end nikkel, så under de rigtige forhold deltager nikkel i en elektrokemisk opløsningsreaktion og platin efterlades.

Platin er en velkendt katalysator i organisk kemi og brændselscellematerialer, Tan noter, men det er også dyrt, så det er ønskeligt at finde kombinationer med mindre dyre materialer såsom nikkel.

"Dette er et eksempel på rækken af ​​materialereaktioner, du kan afbilde i elektronmikroskopet ved hjælp af væskecelleteknikken, " siger Ross. "Du kan dyrke materialer; du kan ætse dem væk; du kan se på, for eksempel, bobledannelse og væskebevægelse."

En særlig vigtig anvendelse af denne teknik er at studere cykling af batterimaterialer. "Naturligvis, Jeg kan ikke sætte et AA-batteri i her, men du kunne sætte de vigtige materialer op inde i denne meget lille væskecelle, og så kan du cykle den frem og tilbage og spørge, hvis jeg oplader og aflader den 10 gange, hvad der sker? Det virker ikke lige så godt som før - hvordan fejler det?" spørger Ross. "En eller anden form for fejlanalyse og alle de mellemliggende stadier af opladning og afladning kan observeres i væskecellen."

"Mikroskopi-eksperimenter, hvor du ser hvert trin i en reaktion, giver dig en meget bedre chance for at forstå, hvad der foregår, " siger Ross.

Moiré mønstre

Kandidatstuderende Reidy er interesseret i, hvordan man kontrollerer væksten af ​​guld på 2-D materialer såsom grafen, wolfram diselenid, og molybdændisulfid. Da hun deponerede guld på "beskidt" grafen, guldklatter samlet omkring urenhederne. Men da Reidy dyrkede guld på grafen, der var blevet opvarmet og renset for urenheder, hun fandt perfekte trekanter af guld. Deponering af guld på både over- og undersiden af ​​ren grafen, Reidy så i mikroskop træk kendt som moiré-mønstre, som er forårsaget, når de overlappende krystalstrukturer er ude af justering.

Guldtrekanterne kan være nyttige som fotoniske og plasmoniske strukturer. "Vi tror, ​​det kan være vigtigt for mange applikationer, og det er altid interessant for os at se, hvad der sker, " siger Reidy. Hun planlægger at udvide sin rene vækstmetode til at danne 3-D metalkrystaller på stablede 2-D materialer med forskellige rotationsvinkler og andre blandede lagstrukturer. Reidy er interesseret i egenskaberne af grafen og sekskantet bornitrid ( hBN), samt to materialer, der er halvledende i deres 2-D enkeltlagsform, molybdændisulfid (MoS2) og wolframdiselenid (WSe2). "Et aspekt, der er meget interessant i 2-D-materialesamfundet, er kontakterne mellem 2-D-materialer og 3-D-metaller, " siger Reidy. "Hvis de vil lave en halvledende enhed eller en enhed med grafen, kontakten kunne være ohmsk for grafenkassen eller en Schottky-kontakt for halvlederkassen, og grænsefladen mellem disse materialer er virkelig, virkelig vigtigt."

"Du kan også forestille dig enheder, der bruger grafen bare som et afstandslag mellem to andre materialer, " tilføjer Ross.

For enhedsproducenter, Reidy siger, at det nogle gange er vigtigt at få et 3D-materiale til at vokse med dets atomarrangement tilpasset perfekt med atomarrangementet i 2D-laget nedenunder. Dette kaldes epitaksial vækst. Beskriver et billede af guld dyrket sammen med sølv på grafen, Reidy forklarer, "Vi fandt ud af, at sølv ikke vokser epitaksielt, det laver ikke de perfekte enkeltkrystaller på grafen, som vi ville lave, men ved først at deponere guldet og derefter afsætte sølv omkring det, vi kan næsten tvinge sølv til at gå i en epitaksial form, fordi det ønsker at tilpasse sig det, dets guldnaboer laver."

Elektronmikroskopbilleder kan også vise ufuldkommenheder i en krystal, såsom rislende eller bøjninger, Reidy bemærker. "En af de store ting ved elektronmikroskopi er, at den er meget følsom over for ændringer i atomernes arrangement, " siger Ross. "Du kunne have en perfekt krystal, og det hele ville se den samme gråtone ud, men hvis du har en lokal ændring i strukturen, selv en subtil ændring, elektronmikroskopi kan opfange det. Selvom ændringen kun er inden for de øverste få lag af atomer uden at påvirke resten af ​​materialet nedenunder, billedet vil vise karakteristiske træk, der giver os mulighed for at finde ud af, hvad der foregår."

Reidy undersøger også mulighederne for at kombinere niobium - et metal, der er superledende ved lave temperaturer - med en 2-D topologisk isolator, vismut tellurid. Topologiske isolatorer har fascinerende egenskaber, hvis opdagelse resulterede i Nobelprisen i fysik i 2016. "Hvis du afsætter niobium på toppen af ​​vismuttellurid, med en meget god grænseflade, du kan lave superledende kryds. Vi har undersøgt niobiumaflejring, og frem for trekanter ser vi strukturer, der ser mere dendritisk ud, " siger Reidy. Dendritiske strukturer ligner de frostmønstre, der dannes på indersiden af ​​vinduer om vinteren, eller nogle bregners fjeragtige mønstre. Ændring af temperaturen og andre forhold under aflejringen af ​​niobium kan ændre de mønstre, som materialet tager.

Alle forskerne er ivrige efter, at nye elektronmikroskoper ankommer til MIT.nano for at give yderligere indsigt i disse materialers adfærd. "Der vil ske mange ting inden for det næste år, tingene er ved at stige allerede, og jeg har fantastiske mennesker at arbejde med. Et nyt mikroskop installeres nu i MIT.nano, og et andet kommer næste år. Hele samfundet vil se fordelene ved forbedrede mikroskopiske karakteriseringsmuligheder her, " siger Ross.

MIT.nano's Osherov bemærker, at to kryogene transmissionselektronmikroskoper (cryo-TEM) er installeret og kører. "Vores mål er at etablere et unikt mikroskopi-centreret fællesskab. Vi opmuntrer og håber at facilitere en krydsbestøvning mellem kryo-EM-forskerne, primært fokuseret på biologiske anvendelser og 'blødt' materiale, såvel som andre forskningsmiljøer på tværs af campus, " siger hun. Den seneste tilføjelse af et scanningstransmissionselektronmikroskop med forbedrede analytiske evner (monokromator med ultrahøj energiopløsning, 4-D STEM detektor, Super-X EDS detektor, tomografi, og adskillige in situ-holdere) hentet af John Chipman lektor i materialevidenskab og teknik James M. LeBeau, en gang installeret, vil væsentligt forbedre mikroskopi-kapaciteterne på MIT-campus. "Vi betragter professor Ross for at være en enorm ressource til at rådgive os om, hvordan vi kan forme in situ-tilgangen til målinger ved hjælp af den avancerede instrumentering, der vil blive delt og tilgængelig for alle forskere i MIT-samfundet og videre, " siger Osherov.

Små sugerør

"Nogle gange ved du mere eller mindre, hvad du kommer til at se under et væksteksperiment, men meget ofte er der noget, man ikke forventer, " siger Ross. Hun viser et eksempel på zinkoxid nanotråde, der blev dyrket ved hjælp af en germaniumkatalysator. Nogle af de lange krystaller har et hul gennem deres centre, skabe strukturer, der er som små sugerør, cirkulær yderside, men med et sekskantet indre. "Dette er en enkelt krystal af zinkoxid, og det interessante spørgsmål for os er, hvorfor de eksperimentelle forhold skaber disse facetter indeni, mens ydersiden er glat?" spørger Ross. "Metaloxidnanostrukturer har så mange forskellige anvendelser, og hver ny struktur kan vise forskellige egenskaber. I særdeleshed, ved at gå til nanoskalaen får du adgang til en række forskellige egenskaber."

"Ultimativt, vi vil gerne udvikle teknikker til at dyrke veldefinerede strukturer ud af metaloxider, især hvis vi kan kontrollere sammensætningen på hvert sted på strukturen, " siger Ross. En nøgle til denne tilgang er selvsamling, hvor materialet bygger sig selv ind i den struktur du ønsker uden at skulle tilpasse hver enkelt komponent. "Selvsamling fungerer meget godt for visse materialer, men problemet er, at der altid er en vis usikkerhed, nogle tilfældigheder eller udsving. Der er dårlig kontrol over de præcise strukturer, du får. Så ideen er at forsøge at forstå selvmontering godt nok til at kunne kontrollere det og få de egenskaber, du ønsker, " siger Ross.

"Vi er nødt til at forstå, hvordan atomerne ender, hvor de er, brug derefter atomernes selvsamlingsevne til at lave en struktur, vi ønsker. Måden at forstå, hvordan tingene samler sig selv, er at se dem gøre det, og det kræver film med høj rumlig opløsning og god tidsopløsning, " Ross forklarer. Elektronmikroskopi kan bruges til at erhverve strukturel og sammensætningsinformation og kan endda måle belastningsfelter eller elektriske og magnetiske felter. "Forestil dig at optage alle disse ting, men i en film, hvor du også styrer, hvordan materialer vokser i mikroskopet. Når du har lavet en film af, at noget sker, du analyserer alle trinene i vækstprocessen og bruger det til at forstå, hvilke fysiske principper der var de vigtigste, der bestemte, hvordan strukturen nukleerede og udviklede sig og endte som den gør."

Fremtidige retninger

Ross håber at bringe en unik høj opløsning ind, højvakuum TEM med evner til at afbilde materialevækst og andre dynamiske processer. Hun har til hensigt at udvikle nye kapaciteter til både vandbaserede og gasbaserede miljøer. Dette brugerdefinerede mikroskop er stadig i planlægningsfasen, men vil blive placeret i et af rummene i Imaging Suite i MIT.nano.

"Professor Ross er en pioner på dette område, "Osherov siger. "Størstedelen af ​​TEM-undersøgelser til dato har været statiske, frem for dynamisk. Med statiske målinger observerer du en prøve på et bestemt øjebliksbillede i tiden, så du ikke får nogen information om, hvordan det blev dannet. Ved hjælp af dynamiske målinger, du kan se på atomerne, der hopper fra stat til stat, indtil de finder den endelige position. Evnen til at observere selvsamlende processer og vækst i realtid giver værdifuld mekanistisk indsigt. Vi ser frem til at bringe disse avancerede funktioner til MIT.nano." siger hun.

"Når en bestemt teknik er formidlet til offentligheden, det vækker opmærksomhed, " siger Osherov. "Når resultaterne offentliggøres, forskere udvider deres vision om eksperimentelt design baseret på tilgængelige state-of-the-art kapaciteter, fører til mange nye eksperimenter, der vil være fokuseret på dynamiske applikationer."

Værelserne i MIT.nano har det roligste sted på MIT campus, designet til at reducere vibrationer og elektromagnetisk interferens til et så lavt niveau som muligt. "Der er plads til professor Ross til at fortsætte sin forskning og udvikle den yderligere, "Osherov siger. "Evnen til in situ at overvåge dannelsen af ​​stof og grænseflader vil finde applikationer på flere områder på tværs af campus, og føre til et yderligere skub af de konventionelle elektronmikroskopigrænser."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.