Aleksandra Radenovic, Martina Lihter og Miao Zhang. Kredit:Alain Herzog 2021 EPFL
monolag krystaller, bliver ofte omtalt som 2D-krystaller eller 2D-materialer, har den unikke egenskab at have et enkelt lag med regelmæssig atomstruktur. Og jo mere regelmæssig strukturen er, jo højere kvalitet er krystallen. I nogle tilfælde, atomstrukturen gentages til perfektion, men det meste af tiden - som det normalt er tilfældet i naturen - er der nogle skavanker.
Molybdændisulfid (MoS 2 ), en sort krystal, der ligner grafit, er et eksempel på en krystal, der har en sådan lagdelt struktur, hvori defekter kan være til stede. "Atomerne i monolaget MoS 2 er arrangeret i tre lag, som en sandwich - et bundlag af svovlatomer, og derefter et lag af metalatomer, og til sidst endnu et lag af svovlatomer, " siger Aleksandra Radenovic, lederen af Laboratory of Nanoscale Biology på EPFL's School of Engineering. "Men nogle gange, nogle svovlatomer mangler, hvilket fører til tomgangsfejl i krystallerne. Sådanne defekter kan også være gavnlige. For eksempel, de katalyserer vandspaltningsreaktionen for at producere brint eller tjener som målsteder i detektorer af biomolekyler. Det er derfor, vi er interesserede i disse defekter, især i deres adfærd i væske."
Radenovic, sammen med postdoc Miao Zhang, Martina Lihter, tidligere ph.d. studerende, og samarbejdspartnere, studerede MoS 2 prøver og udviklet en metode til at kortlægge den slags defekter i væske, fører til en bedre forståelse af materialets egenskaber. I elektronmikroskopi, som tillader direkte visualisering af defekter med fremragende opløsning på grund af brugen af højenergielektronstråler, vakuummiljø er påkrævet. "Målinger i væsken er stadig udfordrende, " siger Radenovic. For at kunne visualisere fejlsteder i væske, LBEN-teamet tilpassede den optiske mikroskopi-billeddannelsesmodalitet kaldet punktakkumulation i nanoskala topografi, MALING. Værket er for nylig udgivet i ACS Nano .
Kaster lys over mangler
Fordi monolaget MoS 2 krystal er kun tre lag af atomer tynde, det er næsten gennemsigtigt, som gør det muligt for forskerne at observere det gennem et tyndt dækglas på et omvendt mikroskop. "Vi placerede vores prøve i en vandig opløsning for at studere defekternes aktivitet i det flydende miljø, " siger Lihter.
Forskerne brugte derefter fluorescerende thiolprober, der binder sig specifikt til de ledige svovlstillinger. "Ved at rette en laserstråle på prøven, vi er i stand til direkte at se en enkelt sonde, som er bundet til en defekt og præcist lokalisere dens position, " siger Zhang. Det viser sig, at en sådan binding er reversibel under visse forhold. Ved at afbilde en sådan tilfældig forbigående binding ved defekter over en periode, som en reminiscens af PAINT-strategien, forskerne var i stand til at identificere og tælle krystallens defekter og kvantificere dens ufuldkommenheder, alt sammen i relativt stor skala. "På denne måde vi kunne også observere, hvordan defekterne interagerede med deres omgivelser, " siger Zhang.
Ændring af et materiales egenskaber
Svovlfripladserne har det resultat, at materialets egenskaber ændres. MoS 2 er et halvledende materiale, der bruges til at fremstille chips til elektroniske enheder. Eksperimenterne udført af Radenovics team var derfor ikke kun beregnet til at kortlægge defekter, men også for at studere materialets adfærd for at helbrede defekterne. "En uregelmæssig atomstruktur ændrer den måde, elektroner bevæger sig inde i et materiale og materialets bærermobilitet, " siger Radenovic. "Det ændrer følgelig dens egenskaber."
Mens forskerne fokuserede på MoS 2 til denne undersøgelse, deres metode er anvendelig til andre materialer i samme familie (overgangsmetal dichalcogenid), der har en sandwich atomstruktur.