Bovenste paneel: transformatie van epitaxiaal-siliceen op ZrB2 van domeinstructuur naar enkeldomein. De labels a, b, c en d vertegenwoordigen vier verschillende verschuivingen van het siliceenrooster als gevolg van de aanwezigheid van de dislocaties. Siliciumatomen in de domeinen, grenzen en bovenop Zr zijn respectievelijk blauw, geel en rood. De bovenste Zr-atomen zijn grijs gekleurd. De donkergrijze Zr-atomen worden gebruikt om de verschuivingen van de domeinen te visualiseren die worden gevisualiseerd door de posities van rode atomen. Ze komen overeen met de posities van rode Si-atomen voor een enkel domein a. De groene lijnen vergelijken de posities van de Si-atomen voor en na het samenvoegen van vier opeenvolgende domeinen tot een enkel domein a door de reactie van 4 dislocaties. Een rij Si-atomen (roze gekleurd) kan dan in de resulterende opening worden opgenomen. Onderste paneel: STM-afbeeldingen die het pad tonen dat door de natuur is gevonden om deze atomistische puzzel op te lossen. Krediet: Japan Advanced Institute of Science and Technology
We kunnen ons voorstellen dat kristallen perfecte structuren zijn, maar in feite worden ze vaak geplaagd door ‘defecten’. Vreemd genoeg verschijnen dergelijke defecten vaak als gevolg van atomen die een reorganisatie ondergaan om de energie van het systeem te verlagen en stabiliteit te bereiken.
“Dislocaties kunnen de fysische en chemische eigenschappen van een kristal sterk beïnvloeden. Bovendien kunnen ze “reacties” ondergaan wanneer er bijvoorbeeld spanning op het kristal wordt uitgeoefend of atomen aan het oppervlak worden toegevoegd. Bestuderen hoe dislocaties reageren, kan daarom cruciale inzichten opleveren over hoe deze kristaldefecten te genezen Siliceen op zirkoniumdiboride (ZrB2) biedt daarvoor een perfect testbed.
Deze tweedimensionale vorm van silicium heeft een reeks dislocaties die verdwijnen als er maar weinig Si-atomen op worden afgezet. Deze transformatie, die de hoge energiekosten onderdrukt die worden veroorzaakt door de aanwezigheid van onbegrensde Si-atomen op het oppervlak, vereist de reactie van vier dislocaties om de ruimte te creëren die nodig is om de afgezette atomen in het siliceenvel op te nemen. Omdat hiervoor de beweging van een groot aantal atomen nodig is en om de weerzinwekkende interactie tussen de dislocaties te overwinnen, leek deze transformatie op het eerste gezicht erg onwaarschijnlijk: het is een echte atomistische puzzel die moet worden opgelost om de afgezette atomen te integreren, “zegt Senior Docent Antoine Fleurence van Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Japan, die werkt aan 2D-materialen.
In een nieuwe studie gepubliceerd in 2D Materials, volgden Dr. Fleurence en zijn collega, Prof. Yukiko Yamada-Takamura van JAIST, met behulp van scanning tunneling microscopie (STM) de evolutie van dislocaties in een siliceenvel in realtime na het afzetten van silicium (Si) atomen erop.
Door deze real-time monitoring kon de truc worden bepaald die door de natuur wordt gebruikt om de afgezette Si-atomen te integreren en een dislocatievrije siliceenplaat te verkrijgen: de siliceenplaat ondergaat een opeenvolging van dislocatiereacties waarbij de integratie van Si-atomen in de siliceenplaat plaatsvindt . Lokaal “gekiemde” eilanden met één domein planten zich vervolgens voort over het hele siliceenblad om uiteindelijk te resulteren in een dislocatievrije structuur met één domein.
“De informatie over dislocatiedynamiek die door deze studie wordt verstrekt, kan worden gebruikt om oplossingen te vinden om structurele defecten in vergelijkbare 2D-materialen, interfaces en een breed scala aan nanomaterialen te genezen”, zegt Dr. Fleurence.
Antoine Fleurence et al, Adatom-geïnduceerde dislocatie-annihilatie in epitaxiaal siliceen, 2D-materialen (2021). DOI: 10.1088/2053-1583/ac15da
Geleverd door Japan Advanced Institute of Science and Technology
