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

Bijschrift: Deze afbeeldingen van “eilanden” van goudatomen afgezet op een laag tweedimensionaal molybdeensulfide werden geproduceerd door twee verschillende modi, met behulp van een nieuwe scanning tunneling elektronenmicroscoop (STEM) in de nieuwe MIT.nano-faciliteit. Door de gegevens van de twee verschillende modi te combineren, konden de onderzoekers de driedimensionale rangschikking van atomen achterhalen waar de twee materialen samenkomen. Krediet: Massachusetts Institute of Technology

In de afgelopen jaren hebben ingenieurs manieren gevonden om de eigenschappen van sommigen te wijzigen “tweedimensionaal” materialen, die slechts een of enkele atomen dik zijn, 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 aan 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 de eigenschappen van het materiaal.

De nieuwe bevindingen worden vandaag in het tijdschrift beschreven 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 University of 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 gedraaid zijn ten opzichte van elkaar. 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, “het lijkt op alles, elke interessante materiaaleigenschap die je maar kunt bedenken, je kunt op de een of andere manier moduleren of veranderen door de 2-D materialen ten opzichte van elkaar te verdraaien,” zegt Ross, die de professor Ellen Swallow Richards aan het MIT is.

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 heeft ons in dit onderwerp geïnteresseerd gemaakt,” Ross zegt, was “wat gebeurt er 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 3-D-2-D- en een 2-D-2-D-interface? En ten derde, hoe u het zou kunnen beheersen – is er een manier om de grensvlakstructuur opzettelijk te ontwerpen” om 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 produceren van het monster in projectie, en ze zijn beperkt in hun vermogen om diepte-informatie te extraheren die nodig is om details van de interface te analyseren. structuur. 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 dat complex zou opleveren. “schaduw.”

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 2-D-3-D-interface wordt voorbereid. Het tweede instrument is een scanning-transmissie-elektronenmicroscoop die zich in de nieuwe onderzoeksfaciliteit van MIT, MIT.nano, bevindt. 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 het team moest nieuwe manieren om uitgelijnde lagen te verkrijgen. Om dit te doen, voegden ze het 3D-materiaal in ultrahoog vacuüm aan het 2D-materiaal toe, waarbij ze groeiomstandigheden kozen waarbij de lagen zichzelf in een reproduceerbare oriëntatie met een specifieke mate van verdraaiing samenvoegen. “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 4-D 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 inderdaad deze stapeling, de manier waarop de atomen uit het vlak worden gestapeld, de elektronische en ladingsdichtheidseigenschappen moduleert,” hij zegt.

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,” ze zegt. Dus met dit betere begrip van die interfaces en nieuwe manieren om ze in actie te bestuderen, “we zijn in staat om constructies met gewenste eigenschappen te maken op een soort geplande in plaats van ad hoc.”

“De gebruikte methodologie heeft het potentieel om uit de verworven lokale diffractiepatronen de modulatie van het lokale elektron-momentum te berekenen,” zegt hij, eraan toevoegend “de hier getoonde methodologie en onderzoek hebben een uitstekende toekomst en grote belangstelling voor de materiaalkunde.”