Визуализация выявляет структурные преобразования в 2D-материалах атом за атомом

Электроника на основе кремния приближается к своим физическим пределам, и необходимы новые материалы, чтобы соответствовать текущим технологическим требованиям. Двумерные (2D) материалы обладают богатым набором свойств, включая сверхпроводимость и магнетизм, и являются многообещающими кандидатами для использования в электронных системах, таких как транзисторы. Однако точный контроль свойств этих материалов очень затруднен.

Пытаясь понять, как и почему 2D-интерфейсы приобретают те структуры, которые они имеют, исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали метод визуализации термоиндуцированных перестроек 2D-материалов, атом за атомом, от скрученных структур к выровненным, используя просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ). Они обнаружили новый и неожиданный механизм этого процесса, при котором новое зерно засеивается внутри одного монослоя, структура которого образована соседним слоем. Возможность управления макроскопическим кручением между слоями позволяет лучше контролировать свойства всей системы.

этот поискИсследование под руководством профессора материаловедения и инженерии Биньшаня Хуана и научного сотрудника Ичжао Чжана недавно было опубликовано в журнале Science Advances.

«Очень важно то, как двухслойные интерфейсы совмещаются друг с другом и посредством какого механизма они трансформируются в другую конфигурацию», — говорит Чжан. «Он контролирует свойства всей двухслойной системы, что, в свою очередь, влияет на ее нано- и микроскопическое поведение».

Структура и свойства 2D-мультислоев часто весьма неоднородны и сильно различаются между образцами и даже в пределах отдельного образца. Два устройства с несколькими степенями свертки между слоями могут вести себя по-разному. Также известно, что 2D-материалы реконструируются под воздействием внешних раздражителей, таких как нагрев, который происходит в процессе производства электронных устройств.

«Люди обычно думают о двух слоях как о двух листах бумаги, скрученных под углом 45 градусов друг к другу», — говорит Чжан. «Чтобы превратить слои из кривых в ровные, нужно просто повернуть весь лист бумаги». «Но на самом деле мы обнаружили, что у него есть ядро ​​— локально выровненный домен в наномасштабе — и этот домен становится все больше и больше в размерах. При правильных условиях этот выровненный домен может занимать весь объем двухслойный».

Хотя исследователи размышляли о возможности этого, не было прямой визуализации на атомном уровне, которая бы подтвердила или опровергла эту теорию. Однако Чжан и другие исследователи смогли напрямую отслеживать движение отдельных атомов и видеть рост небольшого параллельного поля. Они также отметили, что конформные области могут образовываться при относительно низких температурах, вплоть до 200 градусов Цельсия, в диапазоне температур обработки, типичном для 2D-устройств.

Не существует камер, достаточно маленьких и достаточно быстрых, чтобы запечатлеть атомную динамику. Так как же команде удалось визуализировать движение атома за атомом? Решение очень уникальное. Сначала они инкапсулировали скрученный бислой в графен и, по сути, построили вокруг него небольшую реакционную камеру, чтобы наблюдать за бислоем с атомным разрешением во время его нагрева. Инкапсуляция графеном помогает удерживать атомы бислоя на месте, так что можно наблюдать любые структурные преобразования, а не разрушать решетку высокоэнергетическими электронами в ПЭМ.

Затем бислой с покрытием поместили на чип, который можно было быстро нагревать и охлаждать. Чтобы уловить быструю атомную динамику, образец подвергался полусекундным тепловым импульсам в диапазоне 100–1000°C. После каждого импульса команда смотрела, где находятся атомы, используя ПЭМ, а затем повторяла процесс. «На самом деле вы можете наблюдать за тем, как система меняется, как атомы переходят из той конфигурации, в которой они были первоначально помещены, в энергетически предпочтительную конфигурацию, в которой они хотят находиться», — объясняет Хуанг. «Это могло бы помочь нам понять первичную структуру в процессе ее изготовления и то, как она развивалась под воздействием тепла».

Понимание того, как происходит перегруппировка, может помочь точно настроить выравнивание интерфейса на наноуровне. «Невозможно передать, насколько воодушевлены люди этой возможностью контроля», — говорит Хуанг. «Макроскопическое скручивание между двумя слоями является действительно важным параметром, потому что, когда вы вращаете один поверх другого, вы можете фактически изменить свойства всей системы. Например, если вы повернете 2D-графен на определенный угол, он станет сверхпроводящим. Вращая его, вы меняете ширину запрещенной зоны, что приводит к изменению цвета поглощаемого им света и энергии излучаемого света. Все эти вещи вы меняете, изменяя ориентацию атомов между слоями.

*

Пиншейн Хуанг также является заместителем директора Лаборатории исследования материалов в UIUC.

Среди других участников этой работы — Джи Хван Пэк (соавтор, кафедра материаловедения и инженерии, Сеульский национальный университет, Корея), Чиа Хао Ли (факультет материаловедения и инженерии, UIUC), Ёнджун Юнг (факультет материаловедения). и инженерии, Сеульский национальный университет, Корея), Сын Чол Хонг (факультет материаловедения и инженерии, Сеульский национальный университет, Корея), Джиллиан Нолан (факультет материаловедения и инженерии, UIUC), Кенджи Ватанабэ (Исследовательский центр электроники и Оптические материалы, Национальный институт материаловедения, Япония), Такаши Танигучи (Центр исследований архитектурных наноматериалов, Национальный институт материаловедения, Япония) и Гван Хён Ли (факультет материаловедения и инженерии, Сеульский национальный университет, Корея).

Это исследование финансировалось Министерством энергетики США, Японским обществом содействия науке и Национальным исследовательским фондом Кореи.

doi: 10.1126/sciadv.adk1874

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk1874