Atomic dance afslører ny indsigt i udførelsen af ​​2-D materialer

Et team af materialevidenskabelige forskere fra Northwestern University har udviklet en ny metode til at se den dynamiske bevægelse af atomer i atomisk tynde 2D-materialer. Billedteknikken, som afslører den underliggende årsag bag ydeevnesvigt af et meget brugt 2-D-materiale, kunne hjælpe forskere med at udvikle mere stabile og pålidelige materialer til fremtidige wearables og fleksible elektroniske enheder.

Disse 2-D materialer - såsom grafen og borophen - er en klasse af enkeltlags, krystallinske materialer med udbredt potentiale som halvledere i avanceret ultratynde, fleksibel elektronik. Men på grund af deres tynde natur, materialerne er meget følsomme over for eksterne miljøer, og har kæmpet for at demonstrere langsigtet stabilitet og pålidelighed, når de bruges i elektroniske enheder.

"Atomisk tynde 2D-materialer giver mulighed for dramatisk at nedskalere elektroniske enheder, gør dem til en attraktiv mulighed for at drive fremtidig bærbar og fleksibel elektronik, " sagde Vinayak Dravid, Abraham Harris professor i materialevidenskab og teknik ved McCormick School of Engineering.

Studiet, med titlen "Direkte visualisering af elektrisk felt-induceret strukturel dynamik i monolagsovergangsmetal-dichalcogenider, " blev offentliggjort den 11. februar i tidsskriftet ACS Nano . Dravid er den tilsvarende forfatter på papiret. Chris Wolverton, Jerome B. Cohen professor i materialevidenskab og -teknik, også bidraget til forskningen.

"Desværre, elektroniske enheder fungerer nu som en slags 'sort boks'. Selvom enhedsmetrikker kan måles, bevægelsen af ​​enkelte atomer i de materialer, der er ansvarlige for disse egenskaber, er ukendt, hvilket i høj grad begrænser indsatsen for at forbedre ydeevnen, " tilføjede Dravid, der fungerer som direktør for Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization (NUANCE) Center. Forskningen tillader en måde at komme forbi denne begrænsning med en ny forståelse af den strukturelle dynamik, der er på spil inden for 2-D materialer, der modtager elektrisk spænding.

Bygger på en tidligere undersøgelse, hvor forskerne brugte en nanoskala billeddannelsesteknik til at observere svigt i 2-D materialer forårsaget af varme, holdet brugte en høj opløsning, atom-skala billeddannelsesmetode kaldet elektronmikroskopi for at observere bevægelsen af ​​atomer i molybdændisulfid (MoS2), et velundersøgt materiale, der oprindeligt blev brugt som tørt smøremiddel i fedtstoffer og friktionsmaterialer, som for nylig har vundet interesse for dets elektroniske og optiske egenskaber. Da forskerne anvendte en elektrisk strøm på materialet, de observerede dets meget mobile svovlatomer bevæge sig kontinuerligt til ledige områder i det krystallinske materiale, et fænomen de døbte, "atomdans."

Den bevægelse, på tur, fik MoS2's korngrænser - en naturlig defekt skabt i det rum, hvor to krystallitter i materialet mødes - at adskille, danner smalle kanaler, som strømmen kan rejse igennem.

"Da disse korngrænser adskilles, du står tilbage med kun et par smalle kanaler, får tætheden af ​​den elektriske strøm gennem disse kanaler til at stige, " sagde Akshay Murthy, en ph.d. studerende i Dravids gruppe og hovedforfatter på undersøgelsen. "Dette fører til højere effekttætheder og højere temperaturer i disse regioner, hvilket i sidste ende fører til svigt i materialet."

"Det er stærkt at være i stand til at se præcis, hvad der sker på denne skala, Murthy fortsatte. "Ved at bruge traditionelle teknikker, vi kunne anvende et elektrisk felt på en prøve og se ændringer i materialet, men vi kunne ikke se, hvad der forårsagede disse ændringer. Hvis du ikke kender årsagen, det er svært at eliminere fejlmekanismer eller forhindre adfærd fremadrettet."

Med denne nye måde at studere 2-D materialer på atomniveau, holdet mener, at forskere kunne bruge denne billedbehandlingstilgang til at syntetisere materialer, der er mindre modtagelige for fejl i elektroniske enheder. I hukommelsesenheder, for eksempel, forskere kunne observere, hvordan regioner, hvor information er lagret, udvikler sig, efterhånden som elektrisk strøm påføres, og tilpasse, hvordan disse materialer er designet til bedre ydeevne.

Teknikken kan også hjælpe med at forbedre en lang række andre teknologier, fra transistorer i bioelektronik til lysemitterende dioder (LED'er) i forbrugerelektronik til fotovoltaiske celler, der omfatter solpaneler.

"Vi mener, at den metodologi, vi har udviklet til at overvåge, hvordan 2-D-materialer opfører sig under disse forhold, vil hjælpe forskere med at overvinde igangværende udfordringer relateret til enhedsstabilitet, Murthy sagde. "Dette fremskridt bringer os et skridt tættere på at flytte disse teknologier fra laboratoriet til markedspladsen."