Konstruere grænsen mellem 2-D og 3-D materialer

I de seneste år, ingeniører har fundet måder at ændre egenskaberne af nogle "todimensionelle" materialer, som kun er et eller nogle få atomer tykke, ved at stable to lag sammen og dreje det ene lidt i forhold til det andet. Dette skaber det, der er kendt som moiré-mønstre, hvor små skift i atomernes justering mellem de to ark skaber mønstre i større skala. Det ændrer også den måde, elektroner bevæger sig gennem materialet, på potentielt brugbare måder.

Men til praktiske formål, sådanne todimensionelle materialer skal på et tidspunkt forbindes med den almindelige verden af ​​3-D materialer. Et internationalt hold ledet af MIT-forskere har nu fundet på en måde at forestille sig, hvad der foregår ved disse grænseflader, ned til niveauet af individuelle atomer, og at korrelere moiré-mønstrene ved 2-D-3-D grænsen med de resulterende ændringer i materialets egenskaber.

De nye resultater er beskrevet i dag i tidsskriftet Naturkommunikation , i et papir af MIT kandidatstuderende Kate Reidy og Georgios Varnavides, professorer i materialevidenskab og ingeniørvidenskab Frances Ross, Jim LeBeau, og Polina Anikeeva, og fem andre på MIT, Harvard Universitet, og University of Victoria i Canada.

Par af todimensionelle materialer, såsom grafen eller sekskantet bornitrid, kan udvise fantastiske variationer i deres adfærd, når de to ark blot er en anelse snoet i forhold til hinanden. Det får de kyllingetrådslignende atomgitre til at danne moirémønstre, den slags mærkelige bånd og klatter, der nogle gange opstår, når du tager et billede af et udskrevet billede, eller gennem en vinduesskærm. I tilfælde af 2-D materialer, "det ligner noget, enhver interessant materialeegenskab du kan tænke på, du kan på en eller anden måde modulere eller ændre ved at vride 2-D materialerne i forhold til hinanden, " siger Ross, hvem er Ellen Swallow Richards professor ved MIT.

Mens disse 2-D-parringer har tiltrukket sig videnskabelig opmærksomhed verden over, hun siger, der har været lidt kendt om, hvad der sker, hvor 2-D-materialer møder almindelige 3-D-faststoffer. "Hvad fik os til at interessere os for dette emne, " siger Ross, var, hvad der sker, når et 2-D-materiale og et 3-D-materiale sættes sammen. For det første hvordan måler du atompositionerne ved, og nær, grænsefladen? For det andet hvad er forskellene mellem en 3-D-2-D og en 2-D-2-D grænseflade? Og for det tredje, hvordan du kan kontrollere det - er der en måde at bevidst designe grænsefladestrukturen" for at producere ønskede egenskaber?

At finde ud af præcis, hvad der sker ved sådanne 2-D-3-D grænseflader var en skræmmende udfordring, fordi elektronmikroskoper producerer et billede af prøven i projektion, og de er begrænset i deres evne til at udtrække dybdeinformation, der er nødvendig for at analysere detaljer i grænsefladestrukturen. Men holdet fandt ud af et sæt algoritmer, der gjorde det muligt for dem at ekstrapolere tilbage fra billeder af prøven, som ligner et sæt overlappende skygger, at finde ud af, hvilken konfiguration af stablede lag, der ville give den komplekse "skygge".

Holdet brugte to unikke transmissionselektronmikroskoper på MIT, der muliggør en kombination af egenskaber, der er uovertruffen i verden. I et af disse instrumenter, et mikroskop er forbundet direkte til et fabrikationssystem, så prøver kan produceres på stedet ved deponeringsprocesser og straks føres direkte ind i billeddannelsessystemet. Dette er en af ​​kun få sådanne faciliteter på verdensplan, som bruger et ultrahøjt vakuumsystem, der forhindrer selv de mindste urenheder i at forurene prøven, mens 2-D-3-D-grænsefladen forberedes. Det andet instrument er et scanningstransmissionselektronmikroskop placeret i MITs nye forskningsfacilitet, MIT.nano. Dette mikroskop har enestående stabilitet til billeddannelse i høj opløsning, samt flere billeddannelsestilstande til indsamling af information om prøven.

I modsætning til stablede 2D-materialer, hvis orientering relativt nemt kan ændres ved blot at tage et lag op, drejer det lidt, og lægger den ned igen, bindingerne, der holder 3D-materialer sammen, er meget stærkere, så holdet var nødt til at udvikle nye måder at opnå tilpassede lag på. At gøre dette, de tilføjede 3-D-materialet til 2-D-materialet i ultrahøjt vakuum, valg af vækstbetingelser, hvor lagene samles selv i en reproducerbar orientering med bestemte grader af snoning. "Vi var nødt til at dyrke en struktur, der skulle tilpasses på en bestemt måde, " siger Reidy.

Efter at have dyrket materialerne, de skulle derefter finde ud af, hvordan de kunne afsløre de forskellige lags atomare konfigurationer og orienteringer. Et scanningstransmissionselektronmikroskop producerer faktisk mere information, end det er tydeligt på et fladt billede; faktisk, hvert punkt i billedet indeholder detaljer om de stier, langs hvilke elektronerne ankom og forsvandt (diffraktionsprocessen), samt enhver energi, som elektronerne mistede i processen. Alle disse data kan adskilles, så informationen på alle punkter i et billede kan bruges til at afkode den faktiske faste struktur. Denne proces er kun mulig for state-of-the-art mikroskoper, som det i MIT.nano, som genererer en sonde af elektroner, der er usædvanlig smal og præcis.

Forskerne brugte en kombination af teknikker kaldet 4-D STEM og integreret differentiel fasekontrast for at opnå denne proces med at udtrække den fulde struktur ved grænsefladen fra billedet. Derefter, Varnavides siger, de spurgte, "Nu hvor vi kan se den fulde struktur på grænsefladen, hvad betyder det for vores forståelse af egenskaberne ved denne grænseflade?" Forskerne viste gennem modellering, at elektroniske egenskaber forventes at blive modificeret på en måde, der kun kan forstås, hvis den fulde struktur af grænsefladen er inkluderet i den fysiske teori. "Det, vi fandt, er, at denne stabling, måden atomerne er stablet ud af planet, modulerer de elektroniske og ladningstæthedsegenskaber, " han siger.

Ross siger, at resultaterne kan hjælpe med at føre til forbedrede typer af kryds i nogle mikrochips, for eksempel. "Hvert 2-D-materiale, der bruges i en enhed, skal eksistere i 3-D-verdenen, og så det skal have en forbindelse på en eller anden måde med tredimensionelle materialer, " siger hun. Så med denne bedre forståelse af disse grænseflader, og nye måder at studere dem i aktion, "Vi er i god form til at lave strukturer med ønskværdige egenskaber på en slags planlagt snarere end ad hoc måde."

"Den anvendte metodologi har potentialet til at beregne ud fra de erhvervede lokale diffraktionsmønstre moduleringen af ​​det lokale elektronmomentum, " han siger, tilføjer, at "den metode og forskning, der er vist her, har en enestående fremtid og stor interesse for materialevidenskabssamfundet."

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.