17 feb. 1999
3 minuten
Engineers kunnen de eigenschappen van 2D materialen wijzigen door twee lagen op elkaar te stapelen en de ene enigszins ten opzichte van de andere te roteren. Dit creëert zogenaamde moiré-patronen, waarbij kleine verschuivingen in de uitlijning van atomen tussen de twee vellen patronen op grotere schaal creëren. Het verandert ook de manier waarop elektronen door het materiaal bewegen. En dat kan nuttig zijn.
Voor praktische toepassingen moeten de materialen echter ooit aansluiten bij de wereld van 3D-materialen. Een internationaal team onder leiding van MIT-onderzoekers heeft nu een manier bedacht om in beeld te brengen wat er op deze grensvlakken gebeurt, tot op het niveau van individuele atomen, en om de moiré-patronen op de 2D-3D-grens te correleren met de resulterende veranderingen in het materiaal eigenschappen.
De bevindingen worden beschreven in het tijdschrift Nature Communications.
Paren van tweedimensionale materialen zoals grafeen of hexagonaal boornitride kunnen verbazingwekkende variaties in hun gedrag vertonen wanneer de twee vellen slechts een klein beetje gedraaid zijn ten opzichte van elkaar. Dat zorgt ervoor dat de kippengaasachtige atoomroosters moiré-patronen vormen. "Het lijkt alsof alles, elke interessante materiaaleigenschap die je maar kunt bedenken, je op de een of andere manier kunt moduleren of veranderen door de 2D-materialen ten opzichte van elkaar te verdraaien", zegt professor Frances Ross.
"Wat ons interesseerde, was de vraag wat er gebeurt als een 2D-materiaal en een 3D-materiaal worden samengesteld. Ten eerste, hoe meet je de atoomposities op en nabij het grensvlak? Ten tweede, wat zijn de verschillen tussen een 3D-2D- en een 2D-2D-interface? En ten derde, hoe je het zou kunnen beheersen – is er een manier om de grensvlakstructuur opzettelijk te ontwerpen om de gewenste eigenschappen te produceren?"
Het was een enorme uitdaging om erachter te komen wat er precies gebeurt bij 2D-3D-interfaces, omdat elektronenmicroscopen niet goed diepte-informatie kunnen extraheren die nodig is om details van de structuur te analyseren. Maar het team bedacht een reeks algoritmen waarmee ze terug konden extrapoleren uit afbeeldingen van het monster, die enigszins op een reeks overlappende schaduwen lijken, om erachter te komen welke configuratie van gestapelde lagen die complexe ‘schaduw’ zou opleveren.
Het team maakte gebruik van twee unieke transmissie-elektronenmicroscopen. In een van deze instrumenten is een microscoop rechtstreeks verbonden met een fabricage-unit, zodat monsters ter plaatse kunnen worden geproduceerd door afzettingsprocessen, waarbij de waarden rechtstreeks in het beeldvormingssysteem kunnen worden ingevoerd. Het tweede instrument is een scanning-transmissie-elektronenmicroscoop die een uitstekende stabiliteit heeft voor beeldvorming met hoge resolutie, evenals meerdere beeldvormingsmodi voor het verzamelen van informatie over het monster.
Bij 2D-materialen kunnen de oriëntaties relatief eenvoudig worden gewijzigd, maar de verbindingen die 3D-materialen bij elkaar houden, zijn veel sterker. Het team moest dus nieuwe manieren ontwikkelen om uitgelijnde lagen te verkrijgen. Ze voegden het 3D-materiaal in ultrahoog vacuüm aan het 2D-materiaal toe, waarbij ze groeicondities kozen waarbij de lagen zichzelf assembleerden in een reproduceerbare oriëntatie met een specifieke draaiing.
Nadat ze de materialen hadden ‘gegroeid’, moesten ze erachter komen hoe ze de atomaire configuraties en oriëntaties van de verschillende lagen inzichtelijk konden maken. Een scanning-transmissie-elektronenmicroscoop produceert eigenlijk meer informatie dan in een plat beeld te zien is; in feite bevat elk punt in het beeld details van het diffractieproces, evenals alle energie die de elektronen tijdens het proces verloren. Al deze gegevens kunnen worden gescheiden, zodat de informatie op alle punten in een afbeelding kan worden gebruikt om de structuur te decoderen.
De onderzoekers gebruikten 4D Stem en geïntegreerd differentieel fasecontrast om de volledige structuur op het grensvlak uit het beeld te halen. Student Georgios Varnavides: "Hieruit bleek dat elektronische eigenschappen naar verwachting worden gewijzigd op een manier die alleen kan worden begrepen als de volledige structuur van de interface wordt opgenomen in de fysische theorie. De manier waarop de atomen uit het vlak worden gestapeld, moduleert de elektronische eigenschappen en de eigenschappen van ladingsdichtheid."
Ross zegt dat de bevindingen kunnen leiden tot verbeterde soorten knooppunten, bijvoorbeeld in sommige microchips. "Elk 2D-materiaal dat in een apparaat wordt gebruikt, moet in de 3D-wereld bestaan en daarom moet het op de een of andere manier een verbinding hebben met driedimensionale materialen. Met dit betere begrip van die interfaces en nieuwe manieren om ze in actie te bestuderen, zijn we in staat om structuren met gewenste eigenschappen te maken op een geplande manier in plaats van ad hoc."
Anderen lazen ook
