Nopea, tuhoamaton testi kaksiulotteisille materiaaleille

100 LAYERS OF GORILLA TAPE (DANGER ALERT) UNBREAKABLE WALL (Kesäkuu 2019).

Anonim

Tähän mennessä on hyvin ymmärrettävää, että materiaalin harveneminen alaspäin yhteen atomipaksuuteen voi muuttaa huomattavasti materiaalin fysikaalisia ominaisuuksia. Grafeenin, tunnetuin 2-D-materiaalein, on vertaansa vailla oleva lujuus ja sähkönjohtavuus, toisin kuin bulkkimuoto grafitina. Tutkijat ovat alkaneet tutkia satoja muita 2-D-materiaaleja elektroniikassa, tunnistamisessa, varhaisessa syöpädiagnoosissa, veden suolanpoistossa ja useissa muissa sovelluksissa. Nyt Penn Statein fysiikan laitoksen tutkijoiden ja kahdenulotteisten ja kerrostettujen materiaalien keskuksen (2DLM) tiimi on kehittänyt nopean, häiriöttömän optisen menetelmän virheiden analysoimiseksi kaksiulotteisissa materiaaleissa.

"Puolijohdeteollisuudessa esimerkiksi puutteet ovat tärkeitä, koska voit hallita ominaisuuksia vikoilla", sanoi Maurice Terrones, fysiikan, materiaalitekniikan ja insinöörin ja kemian professori Penn State. "Tämä tunnetaan puutteellisena tekniikkana. Teollisuus tietää, kuinka hallita virheitä ja mitkä tyypit ovat laitteille hyviä."

Jotta todella ymmärrettäisiin, mitä tapahtuu 2-D-materiaalilla, kuten volframidisulfidilla, jolla on yksi atomipaksu kerros volframia, joka on sijoitettu kahden atomikerroksen välille, vaatii suuritehoisen elektronimikroskoopin, joka kykenee näkemään yksittäisiä atomia ja aukkoja, joita kutsutaan avoimiksi työpaikoiksi, joissa atomit puuttuvat.

"Lähetyselektronimikroskopian (TEM) etu on, että saat kuvan ja voit nähdä suoraan mitä tapahtuu - saat suoran todisteen", sanoo Penn Statein materiaalitutkimusinstituutin tutkija Bernd Kabius, asiantuntija TEM: stä ja kirjailija, joka julkaistiin 28. huhtikuuta online-lehdessä Science Advances.

Kabiuksen mukaan haittapuolet ovat lisääntynyt mahdollisuus vahingoittua herkälle 2-D-materiaalille, näytteelle vaaditusta monimutkaisesta valmisteesta ja siihen liittyvästä ajanjaksosta - koko mittauspäivän mittaamiseksi yhden näytteen kuvaamiseksi ja viikon tai enemmän tulkita tuloksia. Näistä syistä ja muillakin tutkijoilla haluaisi yhdistää TEM: n toisen tavan tarkastella näytettä, joka on yksinkertaisempi ja nopeampi.

Terronesin ja hänen tiiminsä kehittämä tekniikka käyttää optista menetelmää, fluoresoivaa mikroskopiaa, jossa näytteellä sytytetään tietyn aallonpituuden omaava laser ja herätetyt elektronit, jotka työnnetään suurempaan energiatasoon, tuottavat jokaisen pitkän matriisin pituisen fotonin, kun elektroni heikkenee alhaisemmalle energiatasolle. Aallonpituus tai valon väri voidaan mitata spektroskopialla ja antaa tietoa näytteen virhetavasta ja sijainnista. Nämä tiedot näkyvät huipuina kuvaajassa, jonka joukkue sitten korreloi TEM: n mukaisen visuaalisen vahvistuksen kanssa. Teoreettiset laskelmat auttoivat myös optisten tulosten validointiin. Tarvittava vaihe prosessissa edellyttää näytteen sijoittamista lämpötilasäädettyyn näytteen pidikkeeseen tai vaiheeseen ja alentamaan lämpötilaa 77 kelviniin, lähes 200 astetta nollan alapuolella. Tässä lämpötilassa elektronisen reikäparit, jotka tuottavat fluoresenssin, ovat sidottuja vikoja varten - tässä työssä ryhmä rikki avoimia työpaikkoja kerroksen yläkerroksessa - ja lähettävät signaalin, joka on voimakkaampi kuin materiaalin koskemattomat alueet.

"Ensimmäistä kertaa olemme luoneet suoran suhteen optisen vasteen ja atomimuutosten määrän välillä kaksidimensionaalisissa materiaaleissa", kertoi Victor Carozo, entinen Terronesin laboratorion tutkijatohtori ja työn ensimmäinen tekijä.

Terrones lisäsi: "Puolijohdeteollisuudelle tämä on nopea mittaus, optinen häiriötön menetelmä 2-D-järjestelmien virheiden arvioimiseksi. Tärkeää on, että pystyimme vastaamaan optista menetelmäämme TEM: n kanssa ja myös atomi-simulaatioita. usko, että tämä menetelmä voi olla erittäin hyödyllinen määritettäessä protokolla 2-D-kiteisten materiaalien karakterisoimiseksi. "

Tässä yhteydessä kirjailija Yuanxi Wang, tutkijatohtori 2DLM: ssä ja teoreetikko, lisäsi: "Laskelmamme osoittavat, että vapaana olevat elektronit lähettävät valoa aallonpituuksilla, jotka ovat erilaisia ​​kuin virheettömien alueiden päästöt. aallonpituudet voivat helposti tunnistaa avoimet työpaikat näytteiden sisällä. "

Ja fysiikan, materiaalitekniikan ja kemian, Penn Statein, eräs fysiikan, materiaalitekniikan ja kemian professori Vincent Crespi sanoi: "Emme voi luoda empiiristä korrelaatiota tiettyjen virheiden ja muunneltujen valonlähteiden välillä, vaan myös tunnistaa tämän korrelaation syy ensimmäisten -principles laskelmat. "

Laitteen sovellukset, joita tällä työllä voitaisiin tehostaa, ovat membraanit, joissa on valikoivia huokoskokoja suolan poistamiseksi vedestä tai DNA-sekvensoinnista, kaasun tunnistus, kun kaasumolekyylit sitoutuvat tiettyihin avoimiin työpaikkoihin ja 2-D-materiaalien dopingin, joka on vieraiden atomien lisääminen parantaa ominaisuuksia.

menu
menu