Mezní rozhraní mezi 2D a 3D materiály

Autor:

Tyto obrazy „atomů“ atomů zlata posazených na vrstvu dvourozměrného sulfidu molybdenu byly vytvořeny ve dvou různých režimech pomocí nového rastrovacího tunelového elektronového mikroskopu (STEM) v novém zařízení MIT.nano. Kombinací dat ze dvou různých režimů byli vědci schopni určit trojrozměrné uspořádání atomů, kde se tyto dvě látky setkávají. Půjčka Image image podle výzkumníků

Řezací mikroskop pomáhá najít způsoby, jak sledovat elektronické vlastnosti tenkých atomových materiálů.

V posledních letech našli inženýři způsoby, jak upravit vlastnosti některých „dvourozměrných“ materiálů, které mají tloušťku pouze jednoho nebo více atomů, a to tak, že se tyto dvě vrstvy spojí dohromady a mírně se od sebe odkrutí. Tím se vytvoří takzvané moaré vzory, kde malé posuny v uspořádání atomů mezi dvěma listy vytvářejí vzory ve větším měřítku. Mění způsob, jakým elektrony procházejí hmotou prostřednictvím potenciálně užitečných vajec.

Ale pro praktické použití musí být takové dvourozměrné materiály v určitém okamžiku spojeny s 3D světem běžných materiálů. Mezinárodní tým vedený S: Vědci nyní našli způsob, jak vizualizovat, co se děje na těchto rozhraních, a to až do úrovně jednotlivých atomů. 2D-3D definuje vztah mezi mozaikovými vzory a změnami ve vlastnostech materiálu.

Nové poznatky jsou popsány v časopise Příroda komunikaceStudenti doktorského studijního programu MIT Kate Reidy որ Georgios Varnavides, profesor materiálových věd և inženýrství Francis Ross, Jim’s Lebon և Polina Anike և և pět dalších na MIT, Harvard University համալս Victoria University of Canada.

Ultra-vysoký vakuový systém laboratoře

V laboratoři byl tento ultravysoký vakuový systém použit k přípravě vzorků rozhraní materiálů 2D-3D, které byly poté zkoumány v sousedním zařízení elektronového mikroskopu. Půjčka Image image podle výzkumníků

Páry z dvojrozměrných materiálů, například: grafen nebo hexagonální nitrid boru může vykazovat překvapivé výkyvy v jejich chování, když jsou dva listy vzájemně jen mírně zkroucené. To způsobí, že atomové sítě, jako kuřecí dráty, vytvoří uzlíky, podivné pásky nebo kuličky, které se někdy objevují při malování tisku nebo na obrazovce okna. V případě 2D materiálů „se zdá, že všechno, jakákoli zajímavá vlastnost materiálu, na kterou si vzpomenete, můžete 2D materiály nějak upravit nebo upravit jejich posouváním dohromady,“ říká Ross, který je profesorem na Ellen All-Richards. : Na MIT.

Ačkoli tyto 2D páry přitahovaly vědeckou pozornost po celém světě, říká jen málo o tom, co se stane, když se 2D materiály setkají s běžnými 3D tělesy. „To, co nás na tomto tématu zaujalo,“ říká Ross, „se stane, když se spojí 2D և 3D materiály. Nejprve, jak změříte atomové polohy poblíž rozhraní 😕 Zadruhé, jaké jsou rozdíly mezi rozhraním 3D-2D և 2D-2D? A za třetí, jak to můžete ovládat? Existuje způsob, jak záměrně tvarovat strukturu rozhraní tak, aby poskytovala požadované vlastnosti?

Zjistit, co se děje v takových 2D-3D rozhraních, bylo skličujícím úkolem, protože elektronové mikroskopy vytvářejí ukázkový obraz v projekci, և mají omezenou schopnost získat podrobné informace potřebné k analýze podrobností struktury rozhraní. Tým však přišel s řadou algoritmů, které jim umožňovaly odebírat vzorky z obrázků, které se poněkud podobaly kolekci odpovídajících stínů, aby zjistily, jaká konfigurace uspořádaných vrstev dá tomuto složitému „stínu“.

Tým na MIT použil dva jedinečné vysílací elektronové mikroskopy, které umožňují kombinaci funkcí, které ve světě nemají obdoby. V jednom z těchto přístrojů je mikroskop připojen přímo k vyrobenému systému, takže vzorky jsou vytvářeny na místě instalačním procesem a přiváděny přímo do zobrazovacího systému. Jedná se o jednu z mála institucí na světě, která používá ultra-vysoký vakuový systém, který zabraňuje kontaminaci i té nejmenší kontaminace vzorku při vytváření 2D-3D rozhraní. Druhým nástrojem je rastrovací elektronový mikroskop umístěný v novém výzkumném zařízení MIT, MIT.nano. Tento mikroskop má vynikající stabilitu pro zobrazování s vysokým rozlišením a také mnoho zobrazovacích režimů pro shromažďování informací o vzorku.

Na rozdíl od skládaných 2D materiálů, jejichž orientaci lze relativně snadno změnit jednoduchým pořízením jedné vrstvy, jejím malým pootočením a opětovným vložením, jsou vazby, které drží 3D materiály pohromadě, silnější, takže tým musel vypracovat nové způsoby, jak získat zarovnání. Za tímto účelem přidali 3D materiál k 2D materiálu při ultravysokém vakuu a vybrali podmínky růstu, když byly vrstvy samy sestaveny v reprodukovatelné orientaci s určitými stupni rolování. „Museli jsme vypěstovat strukturu, která bude určitým způsobem přizpůsobena,“ říká Reed.

Jak materiály rostly, musely přijít na to, jak identifikovat atomové konfigurace a orientace různých vrstev. Skenovací transmisní elektronový mikroskop ve skutečnosti produkuje více informací, než je zřejmé z plochého obrazu. ve skutečnosti každý bod na obrázku obsahuje podrobnosti o dráhách, kterými elektrony dorazily և odletěly (difrakční proces), a také jakoukoli energii, kterou elektrony během této doby ztratily. Všechna tato data lze oddělit, takže informace ve všech bodech obrazu lze použít k dekódování skutečné pevné struktury. Tento proces je možný pouze u nejnovějších mikroskopů, jako je MIT.nano, který generuje elektronovou sondu, která je neobvykle úzká a přesná.

Vědci použili kombinaci technik zvaných 4D STEM և integrální diferenciální fázový kontrast k dosažení tohoto procesu extrakce úplné struktury z obrazového rozhraní. Pak se ptají, říká Varnavides. „Teď, když můžeme vizualizovat celou strukturu v rozhraní, co to znamená pochopit vlastnosti tohoto rozhraní?“ Vědci pomocí modelování ukázali, že se očekává, že se elektronické vlastnosti změní tak, aby jim bylo možné porozumět, pouze pokud bude do fyzikální teorie začleněna úplná struktura rozhraní. „Zjistili jsme, že tato akumulace, stejně jako atomy vytlačované z povrchu, rozvíjí vlastnosti hustoty elektronového náboje,“ říká.

Ross říká, že nálezy by mohly pomoci vylepšit například některé mikročipy uzlů. „Každý 2D materiál použitý v zařízení musí existovat ve 3D světě, takže to musí být nějaká křižovatka s 3D materiály,“ říká. Díky lepšímu porozumění těmto rozhraním a novým způsobům jejich studia v praxi tedy „jsme v dobré pozici, abychom vytvořili struktury s požadovanými vlastnostmi spíše plánovaným než dočasným způsobem“.

„Tato práce sama o sobě připravuje cestu pro aplikaci této metodiky na rostoucí linii výzkumu moaré, který je velmi důležitý v oblastech, jako je kvantová fyzika nebo dokonce katalýza,“ uvedl Jord Arbiol z Katalánského institutu pro nanovědy a nanotechnologie. Ve Španělsku, které s touto prací nesouvisí.

„Použitou metodiku lze získat z lokálních difrakčních vzorků získaných k výpočtu lokální elektronové pulzní modulace,“ uvedl a dodal, že „zde uvedená metodika a výzkum mají pro komunitu materiálových věd velký budoucí zájem.“

Odkaz. „Kate Reed, George Varnavides, Joachim Dal Thomsen, Abinash Kumar, Tang Pam, Arthur M. Blackburn, Polina Anike, Prineha Narang, M. Ames M. ” LeBeau a Frances M. Rossová, 26. února 2021, Příroda komunikace,
DOI: 10.1038 / s41467-021-21363-5:

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Líheň je otevřená, stanici zabírá 10 členů posádky

Nově přidaný personál stanice, který se skládal z 10 členů, se shromáždil v servisní jednotce Zvezda, aby uspořádali uvítací ceremoniál s rodinnými příslušníky a...

Chronické virové infekce mohou mít hluboký trvalý účinek na imunitu člověka, podobně jako stárnutí

Analýza topologie sítě funkce imunitního systému představující desítky integrovaných buněčných odpovědí, které jsou během odstraňování viru hepatitidy C u lidí obráceny. Zkoumané signální...

Byly odhaleny bizarní dýchací orgány 450 milionů let starých mořských živočichů

Zápočet: UCR Trilobité měli při dýchání jednu nohu Nová studie našla první důkazy o vysoce vyvinutých dýchacích orgánech u mořských živočichů starých 450 milionů let. ...

“Čmáranice světla” v reálném čase

Vědci z Tokijské metropolitní univerzity vyvinuli zjednodušený algoritmus pro převod volně nakreslených čar na standardním stolním procesoru na hologramy. Dramaticky snižují náklady na...

Mineralogie hluboké kůry Země pohání hotspoty pro domácí život

Tým DeMMO Field zleva doprava: Lily Mumper, Britney Kruger a Caitlin Cesar vzorky zlomenin z vrtné soupravy DeMMO. Kredit: © Matt Kapost Pod zeleným...

Newsletter

Subscribe to stay updated.