Engineering van de grensinterface tussen 2D- en 3D-materialen

Engineering van de grensinterface tussen 2D- en 3D-materialen

Geavanceerde microscoop helpt manieren te onthullen om de elektronische eigenschappen van atomair dunne materialen te beheersen.

In de afgelopen jaren hebben ingenieurs manieren gevonden om de eigenschappen van sommige “tweedimensionale” materialen, die slechts een of enkele atomen dik zijn, te wijzigen door twee lagen op elkaar te stapelen en de ene enigszins ten opzichte van de andere te roteren. Dit creëert zogenaamde moiré-patronen, waarbij kleine verschuivingen in de uitlijning van atomen tussen de twee vellen patronen op grotere schaal creëren. Het verandert ook de manier waarop elektronen door het materiaal bewegen, op mogelijk nuttige manieren.

Maar voor praktische toepassingen moeten dergelijke tweedimensionale materialen ooit aansluiten bij de gewone wereld van 3D-materialen. Een internationaal team onder leiding van MIT-onderzoekers heeft nu een manier bedacht om in beeld te brengen wat er op deze grensvlakken gebeurt, tot op het niveau van individuele atomen, en om de moiré-patronen op de 2D-3D-grens te correleren met de resulterende veranderingen in het materiaal. eigendommen.

De nieuwe bevindingen worden beschreven in het tijdschrift Nature Communications, in een paper van MIT-afgestudeerde studenten Kate Reidy en Georgios Varnavides, professoren van materiaalkunde en engineering Frances Ross, Jim LeBeau en Polina Anikeeva, en vijf anderen aan MIT, Harvard University, en de Universiteit van Victoria in Canada.

Paren van tweedimensionale materialen zoals grafeen of hexagonaal boornitride kunnen verbazingwekkende variaties in hun gedrag vertonen wanneer de twee vellen slechts een klein beetje ten opzichte van elkaar zijn gedraaid. Dat zorgt ervoor dat de kippengaasachtige atoomroosters moiré-patronen vormen, het soort vreemde banden en klodders die soms verschijnen bij het maken van een foto van een afgedrukte afbeelding of door een raamscherm. In het geval van 2D-materialen, “lijkt het alsof alles, elke interessante materiaaleigenschap die je maar kunt bedenken, je op de een of andere manier kunt moduleren of veranderen door de 2D-materialen ten opzichte van elkaar te verdraaien”, zegt Ross, de professor van Ellen Swallow Richards. bij MIT.

Hoewel deze 2D-koppelingen wereldwijd wetenschappelijke aandacht hebben getrokken, zegt ze, is er weinig bekend over wat er gebeurt waar 2D-materialen en reguliere 3D-vaste stoffen samenkomen. “Wat ons in dit onderwerp interesseerde”, zegt Ross, was “wat er gebeurt als een 2D-materiaal en een 3D-materiaal worden samengevoegd. Ten eerste, hoe meet je de atoomposities op en nabij het grensvlak? Ten tweede, wat zijn de verschillen tussen een 3D-2D- en een 2D-2D-interface? En ten derde, hoe u het zou kunnen beheersen – is er een manier om opzettelijk de grensvlakstructuur te ontwerpen ”om de gewenste eigenschappen te produceren?

Het was een enorme uitdaging om erachter te komen wat er precies gebeurt bij dergelijke 2D-3D-interfaces, omdat elektronenmicroscopen een beeld van het monster in projectie produceren en ze beperkt zijn in hun vermogen om diepte-informatie te extraheren die nodig is om details van de interfacestructuur te analyseren. Maar het team bedacht een reeks algoritmen waarmee ze terug konden extrapoleren uit afbeeldingen van het monster, die enigszins op een reeks overlappende schaduwen lijken, om erachter te komen welke configuratie van gestapelde lagen die complexe ‘schaduw’ zou opleveren.

Het team maakte gebruik van twee unieke transmissie-elektronenmicroscopen bij MIT die een combinatie van capaciteiten mogelijk maken die ongeëvenaard is in de wereld. In een van deze instrumenten is een microscoop rechtstreeks verbonden met een fabricagesysteem, zodat monsters ter plaatse kunnen worden geproduceerd door middel van afzettingsprocessen en onmiddellijk rechtstreeks in het beeldvormingssysteem kunnen worden ingevoerd. Dit is een van de weinige van dergelijke faciliteiten wereldwijd die een ultrahoog vacuümsysteem gebruiken dat voorkomt dat zelfs de kleinste onzuiverheden het monster verontreinigen terwijl de 2D-3D-interface wordt voorbereid. Het tweede instrument is een scanning-transmissie-elektronenmicroscoop die zich bevindt in de nieuwe onderzoeksfaciliteit van MIT, MIT.nano. Deze microscoop heeft een uitstekende stabiliteit voor beeldvorming met hoge resolutie, evenals meerdere beeldvormingsmodi voor het verzamelen van informatie over het monster.

In tegenstelling tot gestapelde 2D-materialen, waarvan de oriëntaties relatief eenvoudig kunnen worden gewijzigd door simpelweg een laag op te pakken, deze een beetje te draaien en weer neer te leggen, zijn de verbindingen die 3D-materialen bij elkaar houden veel sterker, dus moest het team nieuwe manieren ontwikkelen om uitgelijnd te krijgen. lagen. Om dit te doen, voegden ze het 3D-materiaal in ultrahoog vacuüm aan het 2D-materiaal toe, waarbij ze groeicondities kozen waarbij de lagen zichzelf assembleerden in een reproduceerbare oriëntatie met een specifieke mate van twist. “We moesten een structuur laten groeien die op een bepaalde manier zou worden uitgelijnd”, zegt Reidy.

Nadat ze de materialen hadden gegroeid, moesten ze erachter komen hoe ze de atomaire configuraties en oriëntaties van de verschillende lagen konden onthullen. Een scanning-transmissie-elektronenmicroscoop produceert eigenlijk meer informatie dan in een plat beeld te zien is; in feite bevat elk punt in de afbeelding details van de paden waarlangs de elektronen arriveerden en vertrokken (het diffractieproces), evenals alle energie die de elektronen tijdens het proces verloren. Al deze gegevens kunnen worden gescheiden, zodat de informatie op alle punten in een afbeelding kan worden gebruikt om de feitelijke solide structuur te decoderen. Dit proces is alleen mogelijk met ultramoderne microscopen, zoals die in MIT.nano, die een sonde van elektronen genereert die ongewoon smal en nauwkeurig is.

De onderzoekers gebruikten een combinatie van technieken genaamd 4D STEM en geïntegreerd differentieel fasecontrast om dat proces te bereiken waarbij de volledige structuur aan het grensvlak uit het beeld wordt gehaald. Vervolgens, zegt Varnavides, vroegen ze: “Nu we de volledige structuur op de interface kunnen zien, wat betekent dit voor ons begrip van de eigenschappen van deze interface?” De onderzoekers toonden door middel van modellering aan dat verwacht wordt dat elektronische eigenschappen worden gewijzigd op een manier die alleen kan worden begrepen als de volledige structuur van de interface wordt opgenomen in de fysische theorie. “Wat we ontdekten is dat deze stapeling, de manier waarop de atomen uit het vlak worden gestapeld, inderdaad de elektronische en ladingsdichtheidseigenschappen moduleert”, zegt hij.

Ross zegt dat de bevindingen kunnen leiden tot verbeterde soorten knooppunten in sommige microchips, bijvoorbeeld. “Elk 2D-materiaal dat in een apparaat wordt gebruikt, moet in de 3D-wereld bestaan, en dus moet het op de een of andere manier een verbinding hebben met driedimensionale materialen”, zegt ze. Dus met dit betere begrip van die interfaces en nieuwe manieren om ze in actie te bestuderen, “zijn we in goede vorm om structuren te maken met gewenste eigenschappen op een soort geplande in plaats van ad hoc”.

“Het huidige werk opent een veld op zichzelf, waardoor de toepassing van deze methodologie op de groeiende onderzoekslijn van moiré-engineering, zeer belangrijk op gebieden zoals kwantumfysica of zelfs in katalyse, mogelijk wordt gemaakt”, zegt Jordi Arbiol van het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie. in Spanje, die niet met dit werk was geassocieerd.

“De gebruikte methodologie heeft het potentieel om uit de verworven lokale diffractiepatronen de modulatie van het lokale elektronenmomentum te berekenen”, zegt hij, eraan toevoegend dat “de hier getoonde methodologie en het onderzoek een uitstekende toekomst hebben en veel belangstelling hebben voor de materiaalkundige gemeenschap.”

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *