Rekayasa antarmuka batas antara Material 2D dan 3D

Di

Gambar-gambar “pulau” atom emas yang diendapkan pada lapisan molibdenum sulfida dua dimensi ini diproduksi dengan dua cara berbeda, menggunakan mikroskop elektron penerowongan pemindaian (STEM) di fasilitas MIT.nano yang baru. Dengan menggabungkan data dalam dua cara yang berbeda, para peneliti dapat memahami susunan tiga dimensi atom tempat kedua bahan tersebut bertemu. Kredit: Gambar milik peneliti

Mikroskop ujung membantu mengungkapkan cara untuk mengontrol sifat elektronik bahan tipis atom.

Dalam beberapa tahun terakhir, para insinyur telah menemukan cara untuk memodifikasi sifat material “dua dimensi” tertentu, yang hanya memiliki satu atau beberapa atom tebal, dengan menumpuk dua lapisan bersama-sama dan memutarnya sedikit dalam kaitannya satu sama lain. Ini menciptakan apa yang dikenal sebagai model moire, di mana perpindahan kecil dalam kesejajaran atom antara dua lembar menciptakan model skala yang lebih besar. Ini juga mengubah cara elektron bergerak melalui material, dengan cara yang berpotensi berguna.

Tetapi untuk aplikasi praktis, material dua dimensi seperti itu pada suatu saat harus terhubung dengan dunia material 3D biasa. Tim internasional yang dipimpin oleh Dengan Para peneliti sekarang telah menemukan cara untuk membayangkan apa yang terjadi pada antarmuka ini, hingga ke tingkat atom individu, dan untuk menghubungkan model moire dengan batas 2D-3D dengan perubahan yang dihasilkan pada properti material.

Penemuan baru dijelaskan dalam jurnal Komunikasi Alam, dalam artikel oleh mahasiswa pascasarjana MIT Kate Reidy dan Georgios Varnavides, profesor ilmu dan teknik material Frances Ross, Jim LeBeau, dan Polina Anikeeva, serta lima orang lainnya di MIT, Universitas Harvard, dan Universitas Victoria di Kanada.

Lab Sistem Vakum Ultra Tinggi

Di laboratorium, sistem vakum ultra-tinggi ini digunakan untuk menyiapkan sampel antarmuka material 2D-3D yang kemudian dipelajari dalam struktur mikroskop elektron yang berdekatan. Kredit: Gambar milik para peneliti

Pasangan bahan dua dimensi bisa graphene atau boron nitrida heksagonal dapat menunjukkan variasi yang mencengangkan dalam perilakunya jika kedua lembaran sedikit terpuntir dalam hubungannya satu sama lain. Hal ini menyebabkan kisi-kisi atom pada kawat ayam membentuk pola moire, jenis garis dan bintik aneh yang terkadang muncul saat Anda mengambil gambar cetakan, atau melalui layar jendela. Dalam kasus materi 2D, “Sepertinya, setiap properti materi menarik yang dapat Anda pikirkan, entah bagaimana dapat memodulasi atau mengubah dengan memutar materi 2D relatif satu sama lain,” kata Ross, yang merupakan profesor dari Ellen Swallow Richards di MIT.

Meskipun penggandengan 2D ini telah menarik perhatian ilmiah di seluruh dunia, katanya, hanya sedikit yang diketahui tentang apa yang terjadi saat materi 2D bertemu dengan padatan 3D biasa. “Apa yang membuat kami tertarik pada topik ini,” kata Ross, “adalah apa yang terjadi ketika materi 2D dan 3D bersatu. Pertama, bagaimana Anda mengukur posisi atom pada, dan dekat, antarmuka? Lalu, apa?” Adalah perbedaan antara antarmuka 3D-2D dan antarmuka 2D-2D? Dan ketiga, bagaimana Anda mengontrolnya – adakah cara untuk sengaja merancang “struktur antarmuka” untuk menghasilkan properti yang diinginkan?

Mencari tahu persis apa yang terjadi dalam antarmuka 2D-3D seperti itu telah menjadi tantangan yang menakutkan karena mikroskop elektron menghasilkan gambar sampel yang diproyeksikan, dan terbatas dalam kemampuannya untuk mengekstrak informasi kedalaman yang diperlukan untuk menganalisis detail struktur antarmuka. Namun tim memahami seperangkat algoritme yang memungkinkan mereka mengambil kembali dari gambar sampel, yang terlihat seperti sekumpulan bayangan teduh, untuk memahami konfigurasi lapisan bertumpuk mana yang akan memberikan kompleks “bayangan” itu.

Tim tersebut menggunakan dua mikroskop elektron transmisi unik untuk MIT yang memungkinkan kombinasi kemampuan yang tidak memiliki saingan di dunia. Dalam salah satu instrumen tersebut, mikroskop dihubungkan langsung ke sistem fabrikasi sehingga sampel dapat diproduksi secara in situ dengan proses pengendapan dan langsung dimasukkan ke dalam sistem pencitraan. Ini adalah salah satu dari sedikit instalasi di dunia yang menggunakan sistem pengisapan ultra-tinggi yang mencegah bahkan jumlah pengotor sekecil apa pun dari mencemari sampel saat antarmuka 2D-3D sedang disiapkan. Instrumen kedua adalah mikroskop elektron transmisi pemindaian yang terletak di fasilitas penelitian baru MIT, MIT.nano. Mikroskop ini memiliki stabilitas luar biasa untuk gambar resolusi tinggi, serta beberapa mode pencitraan untuk mengumpulkan informasi tentang sampel.

Keragaman material 2D yang ditumpuk, yang orientasinya dapat dengan mudah diubah hanya dengan mengambil sebuah lapisan, memelintirnya sedikit, dan menyatukannya kembali, ikatan yang menyatukan material 3D jauh lebih kuat, sehingga tim harus mengembangkan yang baru. cara untuk menyelaraskan lapisan. Untuk melakukan ini, mereka menambahkan materi 3D di atas materi 2D dalam vakum sangat tinggi, memilih kondisi pertumbuhan di mana lapisan berkumpul dalam orientasi yang dapat direproduksi dengan derajat torsi tertentu. “Kami harus mengembangkan struktur yang harus diselaraskan dengan cara tertentu,” kata Reidy.

Setelah mengolah bahan, mereka harus memahami bagaimana mengungkapkan konfigurasi atom dan orientasi dari berbagai lapisan. Sebuah mikroskop elektron transmisi pemindaian sebenarnya menghasilkan lebih banyak informasi daripada yang terlihat pada gambar datar; Faktanya, setiap titik pada gambar berisi detail jalur yang dilalui elektron datang dan pergi (proses difraksi), serta energi yang hilang oleh elektron dalam proses tersebut. Semua data ini dapat dipisahkan sehingga informasi di semua titik dalam gambar dapat digunakan untuk memecahkan kode struktur padat saat ini. Proses ini hanya mungkin dilakukan dengan mikroskop canggih, seperti yang dilakukan MIT.nano, yang menghasilkan probe elektron yang sangat sempit dan tepat.

Para peneliti menggunakan kombinasi teknik yang disebut 4D STEM dan kontras fase diferensial terintegrasi untuk mencapai proses ekstraksi struktur penuh pada antarmuka dari gambar. Kemudian, kata Varnavides, mereka bertanya, “Sekarang kita dapat membayangkan struktur penuh antarmuka, apa artinya ini bagi pemahaman kita tentang properti antarmuka ini?” Para peneliti telah mendemonstrasikan melalui model bahwa properti elektronik diharapkan dimodifikasi dengan cara yang hanya dapat dipahami jika struktur penuh antarmuka dimasukkan dalam teori fisika. “Apa yang kami temukan adalah bahwa penumpukan ini, cara atom ditumpuk di atas tanah, memodulasi sifat elektronik dan kepadatan muatan,” katanya.

Ross mengatakan temuan itu bisa membantu memperbaiki jenis sendi di beberapa microchip, misalnya. “Setiap materi 2D yang digunakan di perangkat harus ada di dunia 3D, sehingga harus memiliki koneksi dengan materi tiga dimensi,” katanya. Jadi, dengan pemahaman yang lebih baik tentang antarmuka tersebut, dan cara baru untuk mempelajarinya dalam tindakan, “kami berada dalam kondisi yang baik untuk membuat struktur dengan properti yang diinginkan dengan cara yang terencana daripada ad hoc.”

“Pekerjaan saat ini membuka bidangnya sendiri, yang memungkinkan penerapan metodologi ini ke jalur penelitian teknik moire yang terus berkembang, sangat penting dalam bidang seperti fisika kuantum atau bahkan dalam katalisis,” kata Jordi Arbiol dari Catalan Institute of Nanoscience dan Nanoteknologi di Spanyol, yang tidak terkait dengan pekerjaan ini.

“Metodologi yang digunakan memiliki potensi untuk dihitung dari model difraksi lokal yang diperoleh dengan memodulasi dorongan elektron lokal,” katanya, menambahkan bahwa “metodologi dan penelitian yang ditampilkan di sini memiliki masa depan yang luar biasa dan minat yang tinggi dalam komunitas ilmu material” .

Referensi: “Pencetakan langsung dan modulasi struktur elektronik dari moiré superlates pada antarmuka 2D / 3D” oleh Kate Reidy, Georgios Varnavides, Joachim Dahl Thomsen, Abinash Kumar, Thang Pham, Arthur M. Blackburn, Polina Anikeeva, Prineha Narang, James M. LeBeau dan Frances M. Ross, 26 Februari 2021, Komunikasi Alam.
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

36 galaksi kerdil secara bersamaan memiliki “baby boom” bintang baru

Penemuan tak terduga Rutgers menantang teori modern tentang bagaimana galaksi tumbuh, dan dapat meningkatkan pemahaman kita tentang alam semesta. Penulis: Universitas Rutgers-New Brunswick Sungguh...

Banyak pasien dengan COVID-19 menghasilkan respons imun yang menyerang jaringan dan organ mereka sendiri.

Sebuah studi yang dipimpin oleh University of Birmingham, yang didanai oleh Konsorsium Imunologi Coronavirus Inggris, menemukan bahwa banyak pasien dengan COVID-19 menimbulkan respons kekebalan...

Sains mudah dibuat: apa itu neutrino steril?

Neutrino steril adalah jenis neutrino khusus yang telah diusulkan untuk menjelaskan beberapa hasil eksperimen yang tidak terduga, tetapi belum ditemukan secara pasti. Para...

Kekeringan jangka panjang mengambil alih AS bagian barat – Tanah dan tanaman berjatuhan

5 Juni 2021 Untuk tahun kedua berturut-turut, kekeringan melanda sebagian besar wilayah Amerika Serikat dari Pegunungan Rocky hingga Pantai Pasifik. Untuk tahun kedua berturut-turut, kekeringan melanda...

Energi matahari dan angin dapat meredakan konflik di sekitar bendungan Renaisans Ethiopia di timur laut Afrika

Megaplatinum terletak di Ethiopia, dekat perbatasan dengan Sudan. Ini adalah pembangkit listrik tenaga air terbesar di Afrika. Penulis: © Google Sebuah studi baru...

Newsletter

Subscribe to stay updated.