Tage store spring i forståelsen af ​​huller i nanoskala

At skabe nye materialer ved at kombinere lag med unikke, gavnlige egenskaber virker som en ret intuitiv proces - stable materialerne og stable fordelene. Dette er dog ikke altid tilfældet. Ikke alle materialer vil tillade energi at rejse gennem det på samme måde, hvilket gør, at fordelene ved ét materiale kommer på bekostning af et andet.

Ved hjælp af banebrydende værktøjer har forskere ved Center for Functional Nanomaterials (CFN), et US Department of Energy (DOE) brugerfacilitet ved Brookhaven National Laboratory og Institute of Experimental Physics ved University of Warszawa skabt en ny lagdelt struktur med 2D materialer, der udviser en unik overførsel af energi og ladning. At forstå dets materialeegenskaber kan føre til fremskridt inden for teknologier såsom solceller og andre optoelektroniske enheder. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Nano Letters .

2D-materialer:Lille, men mægtig

Overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er) er en klasse af materialer struktureret som sandwich med atomisk tynde lag. Kødet af en TMD er et overgangsmetal, som kan danne kemiske bindinger med elektroner på deres yderste bane eller skal, ligesom de fleste grundstoffer, såvel som den næste skal. Det metal er klemt mellem to lag af kalkogener, en kategori af grundstoffer, der indeholder oxygen, svovl og selen.

Chalcogener har alle seks elektroner i deres yderste skal, hvilket gør deres kemiske adfærd ens. Hvert af disse materialelag er kun et atom tykt – en milliontedel af tykkelsen af ​​en hårstrå – hvilket fører til, at de bliver omtalt som todimensionelle (2D) materialer.

"På det atomare niveau kan du se disse unikke og justerbare elektroniske egenskaber," sagde Abdullah Al-Mahboob, en Brookhaven-medarbejder i CFN Interface Science and Catalysis-gruppen. "TMD'er er som en legeplads for fysik. Vi flytter energi rundt fra det ene materiale til det andet på atomniveau."

Nogle nye egenskaber begynder at dukke op fra materialer i denne skala. Grafen er for eksempel 2D-versionen af ​​grafit, det materiale som de fleste blyanter er lavet af. I et nobelprisvindende eksperiment brugte forskere et stykke klæbende tape til at trække flager af grafit for at studere et lag grafen. Forskerne fandt, at grafenen var utrolig stærk på atomniveau - 200 gange stærkere end stål i forhold til dets vægt. Derudover er grafen en fantastisk termisk og elektrisk leder og har et unikt lysabsorptionsspektrum. Dette låste døren op for at studere 2D-former af andre materialer og deres egenskaber.

2D-materialer er interessante i sig selv, men når de kombineres, begynder der at ske overraskende ting. Hvert materiale har sin egen superkraft – beskytter materialer mod miljøet, kontrollerer overførslen af ​​energi, absorberer lys i forskellige frekvenser – og når videnskabsmænd begynder at stable dem sammen, skaber de det, der er kendt som en heterostruktur. Disse heterostrukturer er i stand til nogle ekstraordinære ting og kan en dag blive integreret i fremtidige teknologier, såsom mindre elektroniske komponenter og mere avancerede lysdetektorer.

QPress:Et første af sin slags eksperimentelt værktøj

Mens udforskningen af ​​disse materialer kan være startet med noget så simpelt som et stykke klæbebånd, er de værktøjer, der bruges til at udtrække, isolere, katalogisere og bygge 2D-materialer, blevet ret avancerede. Hos CFN er et helt system blevet dedikeret til studiet af disse heterostrukturer og de teknikker, der bruges til at skabe dem - Quantum Material Press (QPress).

"Det er svært at sammenligne QPress med noget," sagde Suji Park, en videnskabsmand i Brookhaven med speciale i elektroniske materialer. "Den bygger en struktur lag for lag, som en 3D-printer, men 2D-heterostrukturer er bygget af en helt anden tilgang. QPress'en skaber materialelag, der er et atom eller to tykke, analyserer dem, katalogiserer dem og samler dem til sidst. Robotteknologi bruges til systematisk at fremstille disse ultratynde lag for at skabe nye heterostrukturer."

QPress har tre specialbyggede moduler – exfoliator, kataloger og stabler. For at skabe 2D-lag bruger videnskabsmænd exfoliatoren. I lighed med teknikken med manuel klæbende tape har eksfolieringsmaskinen en mekaniseret rullesamling, der eksfolierer tynde lag fra større kildekrystaller med kontroller, der giver den slags præcision, der ikke kan opnås i hånden.

Når de er samlet og fordelt, presses kildekrystallerne på en silikoneoxidwafer og pilles af. De sendes derefter videre til katalogeren, et automatiseret mikroskop, der kombinerer flere optiske karakteriseringsteknikker. Katalogeringsværktøjet bruger maskinlæring (ML) til at identificere flager af interesse, som derefter katalogiseres i en database. I øjeblikket trænes ML med kun grafendata, men forskere vil blive ved med at tilføje forskellige slags 2D-materialer. Forskere kan bruge denne database til at finde de materialeflager, de har brug for til deres forskning.

Når de nødvendige materialer er tilgængelige, kan videnskabsmænd bruge stableren til at fremstille heterostrukturer ud fra dem. Ved hjælp af højpræcisionsrobotik tager de prøveflagerne og arrangerer dem i den nødvendige rækkefølge, i enhver nødvendig vinkel, og overfører substrater for at skabe den endelige heterostruktur, som kan opbevares langsigtet i et prøvebibliotek til senere brug.

Klimaet kontrolleres for at sikre kvaliteten af ​​prøverne, og fremstillingsprocessen fra eksfoliering til bygning af heterostrukturer udføres i et inert gasmiljø i et handskerum. De eksfolierede flager og de stablede prøver opbevares i vakuum i prøvebibliotekerne i QPress-klyngen.

Derudover er elektronstrålefordampning, annealing og oxygenplasmaværktøjer tilgængelige i vakuumsiden af ​​klyngen. Robotik bruges til at sende prøver fra et område af QPress til det næste. Når først disse nye heterostrukturer er fremstillet, hvad gør de så, og hvordan gør de det?

Efter at holdet hos CFN havde fremstillet disse fascinerende nye materialer med QPress, integrerede de materialerne med en række avancerede mikroskopi- og spektroskopiværktøjer, der gjorde det muligt for dem at udforske optoelektroniske egenskaber uden at udsætte prøverne for luft, hvilket ville forringe materialestrukturer. Nogle af de sarte, eksotiske kvanteegenskaber på 2D-materialer har brug for ultralave kryotemperaturer for at blive detekteret, ned til blot et par kelvin. Ellers bliver de forstyrret af den mindste mængde varme eller kemikalier i luften.

Denne platform vil omfatte avancerede mikroskoper, røntgenspektrometre og ultrahurtige lasere, der er i stand til at undersøge kvanteverdenen ved kryo-temperaturer.

Opbygning af bedre strukturer

Ved at bruge disse ressourcers avancerede muligheder var holdet i stand til at få et mere detaljeret billede af, hvordan langdistanceenergioverførsel fungerer i TMD'er.

Energi ønsker at bevæge sig på tværs af materialer, som en person ønsker at klatre op på en stige, men den har brug for et sted at holde fast i. Båndgaps kan opfattes som mellemrummet mellem trinene på en stige. Jo større kløften er, jo sværere og langsommere er det at klatre. Hvis mellemrummet er for stort, er det måske ikke engang muligt at afslutte med at rykke op. Ved at bruge materialer, der allerede har gode ledende egenskaber, var dette specialiserede hold af videnskabsmænd i stand til at stable dem på en måde, der udnyttede deres struktur til at skabe veje, der overfører ladningen mere effektivt.

En af de TMD'er, holdet oprettede, var molybdændisulfid (MoS₂ ), som i tidligere undersøgelser har vist sig at have stærk fotoluminescens. Fotoluminescens er det fænomen, der får visse materialer til at lyse i mørke, efter at de er udsat for lys. Når et materiale absorberer lys med mere energi end det energibåndgab, kan det udsende lys med fotonenergi svarende til båndgabenergien.

Hvis et andet materiale med en ensartet eller lavere energibåndgab kommer tættere på det første, så tæt som en sub-nanometer på få nanometer, kan energi overføres ikke-strålende fra det første materiale til det andet. Det andet materiale kan derefter udsende lys med fotonenergi svarende til dets energibåndgab.

Med et isolerende mellemlag lavet af hexagonalt bornitrid (hBN), som forhindrer elektronisk ledningsevne, observerede forskere en usædvanlig form for langdistanceenergioverførsel mellem denne TMD og en lavet af wolframdiselenid (WSe₂ ), som leder elektricitet meget effektivt. Energioverførselsprocessen fandt sted fra materialer med lavere til højere båndgab, hvilket ikke er typisk i TMD-heterostrukturer, hvor overførslen normalt sker fra 2D-materialer med højere til lavere båndgab.

Tykkelsen af ​​mellemlaget spillede en stor rolle, men så også ud til at trodse forventningerne. "Vi blev overraskede over opførselen af ​​dette materiale," sagde Al-Mahboob. "Interaktionen mellem de to lag øges sammen med stigningen i afstanden op til en vis grad, og så begynder den at falde. Variabler som afstand, temperatur og vinkel spillede en vigtig rolle."

Ved at opnå en bedre forståelse af, hvordan disse materialer absorberer og udsender energi i denne skala, kan videnskabsmænd anvende disse egenskaber til nye typer teknologier og forbedre de nuværende. Disse kunne omfatte solceller, der absorberer lys mere effektivt og holder en bedre ladning, fotosensorer med højere nøjagtighed og elektroniske komponenter, der kan skaleres ned til endnu mindre størrelser for mere kompakte enheder.

Flere oplysninger: Arka Karmakar et al., excitationsafhængig højtliggende excitonisk udveksling via mellemlagsenergioverførsel fra 2D-materiale med lavere til højere båndgab, nanobogstaver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01127

Journaloplysninger: Nanobreve

Leveret af Brookhaven National Laboratory