Nanoschaalbeeldvorming biedt inzicht in 2D- en faseveranderingsmaterialen

Onderzoekers van de Universiteit van Californië in Berkeley hebben geavanceerde optische beeldvormingstechnieken op nanoschaal ontwikkeld. Daarmee krijgen ze ongekend inzicht in de ultrasnelle ladingsdragerdynamiek in geavanceerde materialen.

Twee studies, gepubliceerd in Geavanceerde materialen En ACS Fotonicalaten een aanzienlijke vooruitgang zien in het begrijpen van het dragergedrag in tweedimensionale en faseovergangsmaterialen, met implicaties voor elektronische en opto-elektronische apparaten van de volgende generatie.

Het onderzoeksteam, onder leiding van Prof. Costas P. Grigoropoulos, Dr. Jingang Li en doctoraalstudent Rundi Yang, gebruikte een nieuwe near-field transient nanoscopy-techniek om het gedrag van materialen op nanoschaal te onderzoeken met zowel een hoge ruimtelijke als temporele resolutie. Deze aanpak overwint de beperkingen van traditionele optische methoden, waardoor onderzoekers fenomenen die voorheen moeilijk te observeren waren, direct kunnen visualiseren en analyseren.

“Onze techniek stelt ons in staat om te onderzoeken hoe ladingdragers en excitonen zich gedragen en interacteren op nanoschaal in verschillende materialen”, legt Li uit. “Dit is cruciaal voor het begrijpen en optimaliseren van de prestaties van geavanceerde apparaten op basis van deze materialen.”

In één onderzoek richtte het team zich op atomair dunne overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC’s), materialen die bekend staan ​​om hun unieke optische en elektronische eigenschappen. Ze observeerden ingewikkelde details over excitonrecombinatie en diffusieprocessen in monolaag- en bilaag-MoS₂waarbij een duidelijke dynamiek in de buurt van kristalgrensvlakken en in gebieden met nanoschaalspanning zichtbaar werd.

De onderzoekers breidden hun onderzoek uit en keken ook naar vanadiumdioxide (VO₂), een materiaal dat bekend staat om zijn opmerkelijke faseveranderingseigenschappen. Met behulp van hun geavanceerde beeldvormingstechnieken brachten ze de nanoschaalverdeling van metallische en isolerende fasen in gebogen VO in kaart₂ nanostralen.

“We zijn in staat geweest om de coëxistentie van verschillende fasen in VO direct in beeld te brengen₂ met ongekende details,” zegt Yang. “Hierdoor kunnen we begrijpen hoe spanning de elektronische eigenschappen van het materiaal op fundamenteel niveau beïnvloedt.”

Verrassend genoeg observeerde het team een ​​langzamere recombinatie van de dragers, maar een snellere diffusie in de metallische fase van VO₂ vergeleken met de isolerende fase. Deze bevinding biedt nieuwe inzichten in het gedrag van het materiaal tijdens faseovergangen, wat cruciaal kan zijn voor de ontwikkeling van geavanceerde schakel- en geheugenapparaten.

Het onderzoek benadrukte ook de impact van lokale materiaaleigenschappen, zoals spanning en grensvlakken, op de exciton- en dragerdynamiek in zowel TMDC’s als VO₂Dit inzicht is van vitaal belang voor het ontwikkelen van apparaten die deze nanoschaaleffecten kunnen benutten voor betere prestaties.

Prof. Grigoropoulos zei: “Deze technieken openen nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen van een breed scala aan nanomaterialen en nanodevices. We zijn enthousiast over de potentiële toepassingen in vakgebieden variërend van energiewinning tot kwantuminformatieverwerking.”

De gecombineerde bevindingen van deze studies tonen de kracht van geavanceerde nanoschaalbeeldvormingstechnieken aan bij het ontrafelen van de complexe fysica van nanomaterialen. Naarmate onderzoekers deze methoden blijven verfijnen, kunnen we verdere doorbraken verwachten in ons begrip van materialen op atomaire schaal, wat de weg vrijmaakt voor innovatieve technologieën die de unieke eigenschappen van nanomaterialen benutten.

Deze ontdekkingen hebben belangrijke gevolgen voor de ontwikkeling van de volgende generatie elektronische en opto-elektronische apparaten, waaronder hoogwaardige sensoren, geheugenapparaten en adaptieve optische componenten.

Het vermogen om materiaaleigenschappen op zulke kleine schaal te onderzoeken en te manipuleren, belooft de ontwikkeling van efficiëntere en capabelere technologieën voor een breed scala aan toepassingen te versnellen.