Wetenschappers kunnen nu defecten in 2D-kristallen in vloeistof in kaart brengen

Monolaagkristallen, vaak 2D-kristallen of 2D-materialen genoemd, hebben de unieke eigenschap dat ze een enkele laag met een regelmatige atomaire structuur hebben. En hoe regelmatiger de structuur is, hoe hoger de kwaliteit van het kristal. In sommige gevallen wordt de atomaire structuur tot in de perfectie herhaald, maar meestal – zoals gewoonlijk het geval is in de natuur – zijn er enkele tekortkomingen.

Molybdeendisulfide (MoS₂), een zwart kristal dat eruitziet als grafiet, is een voorbeeld van een kristal met een dergelijke gelaagde structuur waarin defecten aanwezig kunnen zijn. “De atomen in de monolaag MoS₂ zijn gerangschikt in drie lagen, zoals een sandwich – een onderste laag zwavelatomen, en dan een laag metaalatomen, en tenslotte nog een laag zwavelatomen ”, zegt Aleksandra Radenovic, het hoofd van het Laboratory of Nanoscale Biology aan EPFL’s School of Engineering. ”Maar soms ontbreken er enkele zwavelatomen, wat leidt tot leegstandsdefecten in de kristallen. Dergelijke defecten kunnen ook gunstig zijn. Ze katalyseren bijvoorbeeld de watersplitsingsreactie om waterstof te produceren of dienen als doelwitplaatsen in detectoren van biomoleculen. Daarom zijn we geïnteresseerd in deze defecten, vooral in hun gedrag in vloeistof. “

Radenovic, samen met postdoc Miao Zhang, Martina Lihter, voormalig Ph.D. student en medewerkers studeerden MoS₂ monsters en ontwikkelde een methode om dit soort defecten in vloeistof in kaart te brengen, wat leidde tot een beter begrip van de materiaaleigenschappen. Bij elektronenmicroscopie, die directe visualisatie van defecten met een uitstekende resolutie mogelijk maakt vanwege het gebruik van elektronenbundels met hoge energie, is een vacuümomgeving vereist. “Metingen in de vloeistof zijn nog steeds een uitdaging”, zegt Radenovic. Om de defectenlocaties in vloeistof te kunnen visualiseren, paste het LBEN-team de beeldvormingsmodaliteit van optische microscopie aan, genaamd Point Accumulation in Nanoscale Topography, PAINT. Het werk is onlangs gepubliceerd in ACS Nano​

Licht werpen op defecten

Omdat de monolaag MoS₂ kristal is slechts drie lagen atomen dun, het is bijna transparant, waardoor de wetenschappers het kunnen observeren door een dun glazen dekglaasje op een omgekeerde microscoop. “We plaatsten ons monster in een waterige oplossing om de activiteit van de defecten in de vloeibare omgeving te bestuderen”, zegt Lihter.

De wetenschappers gebruikten vervolgens fluorescerende thiol-probes die specifiek binden aan de zwavelvacatures. “Door een laserstraal op het monster te richten, zijn we in staat om direct een enkele sonde te zien die aan een defect vastzit, en zijn positie nauwkeurig te lokaliseren”, zegt Zhang. Het blijkt dat een dergelijke binding onder bepaalde voorwaarden omkeerbaar is. Door een dergelijke willekeurige tijdelijke binding aan defecten in de loop van de tijd af te beelden, als een herinnering aan de PAINT-strategie, waren de wetenschappers in staat om de defecten van het kristal te identificeren en te tellen en de imperfecties ervan te kwantificeren, allemaal op relatief grote schaal. “Op deze manier konden we ook observeren hoe de defecten interageerden met hun omgeving”, zegt Zhang.

De eigenschappen van een materiaal veranderen

De zwavelvacatures hebben het gevolg van het veranderen van de materiaaleigenschappen. MoS₂ is een halfgeleidend materiaal dat wordt gebruikt om chips voor elektronische apparaten te maken. De experimenten van het team van Radenovic waren daarom niet alleen bedoeld om defecten in kaart te brengen, maar ook om het gedrag van het materiaal te bestuderen om de defecten te genezen. “Een onregelmatige atomaire structuur verandert de manier waarop elektronen in een materiaal bewegen en verandert de mobiliteit van de drager”, zegt Radenovic. “Dat verandert bijgevolg zijn eigenschappen.”

Terwijl de wetenschappers zich concentreerden op MoS₂ voor deze studie is hun methode toepasbaar op andere materialen van dezelfde familie (overgangsmetaal dichalcogenide) met een sandwich atomaire structuur.