Atom-for-atom:Billeddannelse af strukturelle transformationer i 2D-materialer

Siliciumbaseret elektronik nærmer sig deres fysiske begrænsninger, og nye materialer er nødvendige for at holde trit med de nuværende teknologiske krav. Todimensionelle (2D) materialer har en bred vifte af egenskaber, herunder superledning og magnetisme, og er lovende kandidater til brug i elektroniske systemer, såsom transistorer. Det er dog ekstraordinært vanskeligt at kontrollere disse materialers egenskaber præcist.

I et forsøg på at forstå, hvordan og hvorfor 2D-grænseflader antager de strukturer, de gør, har forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign udviklet en metode til at visualisere den termisk-inducerede omarrangering af 2D-materialer, atom-for-atom, fra snoet til alignede strukturer ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi (TEM).

De observerede en ny og uventet mekanisme for denne proces, hvor et nyt korn blev podet inden for et enkelt lag, hvis struktur var skabelon af det tilstødende lag. At være i stand til at kontrollere det makroskopiske twist mellem lagene giver mulighed for mere kontrol over hele systemets egenskaber.

Denne forskning, ledet af materialevidenskab og ingeniørprofessor Pinshane Huang og postdoc-forsker Yichao Zhang, blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Science Advances .

"Hvordan dobbeltlagets grænseflader flugter med hinanden, og gennem hvilken mekanisme de transformerer til en anden konfiguration, er meget vigtigt," siger Zhang. "Det styrer egenskaberne af hele tolagssystemet, hvilket igen påvirker både dets nanoskala og mikroskopiske adfærd."

Strukturen og egenskaberne af 2D-multilag er ofte meget heterogene og varierer meget mellem prøver og endda inden for en individuel prøve. To enheder med kun et par graders drejning mellem lag kan have forskellig adfærd. 2D-materialer er også kendt for at omkonfigurere under eksterne stimuli såsom opvarmning, som opstår under fremstillingsprocessen af ​​elektroniske enheder.

"Folk tænker normalt på de to lag som at have to ark papir snoet 45° til hinanden. For at få lagene til at gå fra snoede til justerede, ville du bare rotere hele stykket papir," siger Zhang. "Men det, vi faktisk fandt, er, at det har en kerne - et lokaliseret nanoskala justeret domæne - og dette domæne vokser sig større og større i størrelse. Givet de korrekte betingelser kan dette tilpassede domæne overtage hele størrelsen af ​​dobbeltlaget."

Mens forskere har spekuleret i, at dette kan ske, har der ikke været nogen direkte visualisering på atomare skala, der beviser eller modbeviser teorien. Zhang og de andre forskere var imidlertid i stand til direkte at spore individuelle atomers bevægelser for at se det lille, justerede domæne vokse. De observerede også, at justerede områder kunne dannes ved relativt lave temperaturer, ~200°C, inden for intervallet af typiske behandlingstemperaturer for 2D-enheder.

Der er ikke kameraer, der er små nok og hurtige nok til at fange atomær dynamik. Hvordan var holdet så i stand til at visualisere denne atom-for-atom-bevægelse? Løsningen er meget unik. De indkapslede først det snoede dobbeltlag i grafen, og byggede i det væsentlige et lille reaktionskammer omkring det, for at se på dobbeltlaget ved atomopløsning, mens det blev opvarmet. Indkapsling af grafen hjælper med at holde atomerne i dobbeltlaget på plads, så enhver strukturel transformation kan observeres i stedet for, at gitteret bliver ødelagt af højenergielektroner i TEM.

Det indkapslede dobbeltlag blev derefter sat på en chip, der kunne opvarmes og afkøles hurtigt. For at fange den hurtige atomare dynamik gennemgik prøven et halvt sekunds varmeimpulser mellem 100-1000 °C. Efter hver puls kiggede holdet på, hvor atomerne brugte TEM og gentog derefter processen.

"Du kan faktisk se systemet, når det ændrer sig, efterhånden som atomerne sætter sig ind fra den konfiguration, de blev sat i i starten, til den konfiguration, der er energetisk gunstig, som de ønsker at være i," forklarer Huang. "Det kan hjælpe os med at forstå både den oprindelige struktur, som den er fremstillet, og hvordan den udvikler sig med varme."

At forstå, hvordan omarrangering sker, kan hjælpe med at justere grænsefladejusteringen på nanoskalaen. "Det er umuligt at understrege, hvor begejstrede folk er over den tuneability," siger Huang.

"Den makroskopiske drejning mellem de to lag er en rigtig vigtig parameter, fordi når du roterer det ene på det andet, kan du faktisk ændre hele systemets egenskaber. Hvis du for eksempel drejer 2D-materialet grafen til en bestemt vinkel, bliver det For nogle materialer, hvis du roterer dem, ændrer du båndgabet, som ændrer lysets farve, og hvilken lysenergi det udsender. Alle de ting, du ændrer ved at ændre orienteringen af ​​atomer mellem lagene>

Flere oplysninger: Yichao Zhang et al., Atom-for-atom-billeddannelse af moiré-transformationer i 2D-overgangsmetal-dichalcogenider, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk1874

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering