_ Atom- by-atom: Imaginirea transformărilor structurale în materiale 2D

Electronica pe bază de silicon se apropie de limitările lor fizice și sunt necesare noi materiale pentru a ține pasul cu cerințele tehnologice actuale. Materialele bidimensionale (2D) au o gamă bogată de proprietăți, inclusiv supraconductivitate și magnetism, și sunt candidați promițători pentru utilizarea în sisteme electronice, cum ar fi tranzistoarele. Cu toate acestea, controlul precis al proprietăților acestor materiale este extraordinar de dificil.

În efortul de a înțelege cum și de ce interfețele 2D preiau structurile pe care le fac, cercetătorii de la Universitatea din Illinois Urbana-Champaign au dezvoltat o metodă pentru a vizualiza rearanjarea indusă termic a materialelor 2D, atom cu atom, de la structurile răsucite la cele aliniate folosind microscopia electronică cu transmisie (TEM).

Ei au observat un mecanism nou și neașteptat pentru acest proces în care un nou boabele au fost însămânțate într-un singur strat, a cărui structură a fost șablonată de stratul adiacent. Capacitatea de a controla răsucirea macroscopică dintre straturi permite un control mai mare asupra proprietăților întregului sistem.

Această cercetare, condusă de profesorul de știința materialelor și inginerie Pinshane Huang și cercetătorul postdoctoral Yichao Zhang, a fost publicată recent în revista Science Advances.

„Modul în care interfețele stratului dublu se aliniază între ele și prin ce mecanism se transformă într-o configurație diferită este foarte important”, spune Zhang. „Controlează proprietățile întregului sistem cu două straturi care, la rândul său, îi afectează atât comportamentul la scară nanometrică, cât și cel microscopic.”

Structura și proprietățile multistraturilor 2D sunt adesea foarte eterogene și variază mult între eșantioane și chiar în cadrul un eșantion individual. Două dispozitive cu doar câteva grade de răsucire între straturi ar putea avea un comportament diferit. Se știe, de asemenea, că materialele 2D se reconfigurează sub stimuli externi, cum ar fi încălzirea, care are loc în timpul procesului de fabricare a dispozitivelor electronice.

„Oamenii se gândesc de obicei la cele două straturi ca și cum ar avea două foi de hârtie răsucite la 45° față de fiecare. pentru a face ca straturile să treacă de la răsucite la aliniate, trebuie doar să rotiți întreaga bucată de hârtie”, spune Zhang. „Dar ceea ce am descoperit, de fapt, este că are un nucleu – un domeniu localizat aliniat la scară nanometrică – și acest domeniu crește din ce în ce mai mult în dimensiune. Având în vedere condițiile corecte, acest domeniu aliniat ar putea prelua întreaga dimensiune a stratului dublu.”

Deși cercetătorii au speculat că acest lucru se poate întâmpla, nu a existat nicio vizualizare directă la scară atomică care să demonstreze sau să infirme teoria. Cu toate acestea, Zhang și ceilalți cercetători au reușit să urmărească în mod direct mișcarea atomilor individuali pentru a vedea cum crește micul domeniu aliniat. Ei au observat, de asemenea, că regiunile aliniate se pot forma la temperaturi relativ scăzute, ~200°C, în intervalul temperaturilor tipice de procesare pentru dispozitivele 2D.

Nu există camere suficient de mici și suficient de rapide pentru a capta dinamica atomică. . Cum a reușit echipa să vizualizeze această mișcare atom cu atom? Soluția este foarte unică. Ei au încapsulat mai întâi stratul dublu răsucit în grafen, construind în esență o mică cameră de reacție în jurul lui, pentru a privi stratul dublu la rezoluție atomică în timp ce era încălzit. Încapsularea cu grafen ajută la menținerea atomilor din stratul dublu în poziție, astfel încât orice transformare structurală să poată fi observată, mai degrabă decât ca rețeaua să fie distrusă de electronii de înaltă energie ai TEM.

Stratul dublu încapsulat a fost apoi pus. un cip care ar putea fi încălzit și răcit rapid. Pentru a capta dinamica atomică rapidă, proba a suferit impulsuri de căldură de jumătate de secundă între 100-1000°C. După fiecare puls, echipa se uita la locul în care atomii foloseau TEM și apoi repeta procesul.

„Puteți urmări de fapt sistemul cum se schimbă, pe măsură ce atomii se instalează din orice configurație în care au fost introduși inițial, la configurația care este favorabilă din punct de vedere energetic, în care doresc să fie”, explică Huang. . „Acest lucru ne poate ajuta să înțelegem atât structura inițială așa cum este fabricată, cât și modul în care evoluează cu căldura.”

Înțelegerea modului în care se întâmplă rearanjarea poate ajuta la reglarea alinierii interfeței la scară nanometrică. „Este imposibil de subliniat cât de încântați sunt oamenii de această adaptabilitate”, spune Huang.

„Răsucirea macroscopică dintre cele două straturi este un parametru cu adevărat important, deoarece, pe măsură ce rotiți unul pe celălalt, puteți de fapt schimbați proprietățile întregului sistem De exemplu, dacă rotiți materialul 2D grafenul la un unghi specific, acesta devine supraconductor pentru unele materiale, dacă le rotiți, schimbați culoarea luminii pe care o absoarbe energia luminii pe care o emite toate acele lucruri pe care le schimbi prin modificarea orientării atomilor între straturi.”

(Fluierul)