Ribinių sąsajų inžinerija tarp 2D և 3D medžiagų

Autorius:

Šie aukso atomų, esančių ant dvimatio molibdeno sulfido sluoksnio, „atomų“ vaizdai buvo pagaminti dviem skirtingais režimais, naudojant naują skenuojančio tunelinio elektroninio mikroskopą (STEM) naujame įrenginyje MIT.nano. Sujungę dviejų skirtingų modų duomenis, mokslininkai sugebėjo nustatyti trimatį atomų išsidėstymą ten, kur susiduria abi medžiagos. Paskola Tyrėjų įvaizdžio reputacija

Pjovimo mikroskopas padeda rasti būdų, kaip stebėti plonų atominių medžiagų elektronines savybes.

Pastaraisiais metais inžinieriai rado būdų modifikuoti kai kurių „dviejų matmenų“ medžiagų, kurios yra tik vieno ar daugiau atomų storio, savybes, sukraunant du sluoksnius ir šiek tiek susisukus. Tai sukuria vadinamuosius moaro modelius, kur nedideli atomų išdėstymo tarp dviejų lakštų poslinkiai sukuria didesnio masto modelius. Tai keičia būdą, kaip elektronai keliauja materija per potencialiai naudingus kiaušinius.

Tačiau praktiniam naudojimui tokios dvimatės medžiagos tam tikru momentu turi būti sujungtos su įprastų medžiagų 3D pasauliu. Tarptautinė komanda, kuriai vadovauja SU: Tyrėjai dabar rado būdą vizualizuoti, kas vyksta šiose sąsajose, iki atskirų atomų lygio. 2D-3D apibrėžia ryšį tarp mozaikos modelių ir medžiagų savybių pokyčių.

Naujos išvados aprašytos žurnale Gamtos komunikacijosMIT doktorantai Kate Reidy որ Medžiagų mokslo profesorius Georgios Varnavides և Inžinierius Francisas Rossas, Jim’o Libonas, Polina Anike և և penki kiti MIT, Harvardo universitete, Kanados Viktorijos universitete.

Itin aukšta laboratorijos vakuuminė sistema

Laboratorijoje ši itin aukšto vakuumo sistema buvo naudojama paruošiant 2D-3D medžiagų sąsajų mėginius, kurie vėliau buvo ištirti gretimoje elektronų mikroskopo patalpoje. Paskola Tyrėjų įvaizdžio reputacija

Dviejų matmenų medžiagų poros, tokios kaip: grafenas arba šešiakampis boro nitridas gali parodyti stebėtinus jų elgesio svyravimus, kai du lakštai yra šiek tiek susukti vienas kito atžvilgiu. Dėl to atominiai tinklai, pavyzdžiui, vištienos vielos, formuoja mazgelius, keistas juostas ar skiautes, kurios kartais pasirodo dažant atspaudą ar lango ekrane. 2D medžiagų atveju „atrodo, kad viską, bet kokią įdomią medžiaginę savybę, kurią galite sugalvoti, galite kažkaip modifikuoti arba modifikuoti 2D medžiagas, slinkdami jas kartu“, – sako Rossas, kuris yra Ellen All-Richards profesorius. : MIT.

Nors šios 2D poros sulaukė mokslinio dėmesio visame pasaulyje, jis sako, kad mažai žinoma apie tai, kas nutinka, kai 2D medžiagos susitinka su įprastomis 3D kietosiomis dalimis. „Kas mus domino šia tema, – sako Rossas, – kas atsitinka, kai susideda 2D և 3D medžiagos. Pirma, kaip jūs matuojate atomo padėtį šalia sąsajos 😕 Antra, kokie yra 3D-2D և 2D-2D sąsajos skirtumai? Ir trečia, kaip jūs galite tai kontroliuoti? Ar yra būdas sąmoningai formuoti sąsajos struktūrą, kad būtų sukurtos norimos savybės?

Sužinoti, kas vyksta tokiose 2D-3D sąsajose, buvo nelengva užduotis, nes elektroniniai mikroskopai sukuria pavyzdinį vaizdą projekcijoje, և jų galimybės gauti išsamią informaciją, reikalingą sąsajos struktūros detalėms analizuoti, yra ribotos. Tačiau komanda pateikė daugybę algoritmų, leidusių jiems paimti pavyzdžius iš paveikslėlių, kurie šiek tiek buvo panašūs į derančių šešėlių rinkinį, kad sužinotų, kokia išdėstytų sluoksnių konfigūracija suteiks tą sudėtingą „šešėlį“.

MIT komanda naudojo du unikalius siųstuvo elektroninius mikroskopus, leidžiančius derinti pasaulyje neprilygstamas savybes. Viename iš šių prietaisų mikroskopas yra tiesiogiai prijungtas prie pagamintos sistemos, kad mėginiai būtų pagaminti vietoje diegimo metu ir tiesiogiai tiekiami į vaizdavimo sistemą. Tai yra viena iš nedaugelio įstaigų pasaulyje, naudojanti ypač aukšto vakuumo sistemą, kuri, užmezgant 2D-3D sąsają, užkerta kelią net mažiausio mėginio užteršimui. Antrasis įrankis yra skenuojantis elektroninis mikroskopas, įkurtas naujoje MIT tyrimų įstaigoje „MIT.nano“. Šis mikroskopas pasižymi išskirtiniu stabilumu atliekant didelės skiriamosios gebos vaizdą, taip pat yra daugybė vaizdavimo režimų informacijos rinkimui.

Skirtingai nuo sukrautų 2D medžiagų, kurių orientaciją galima palyginti lengvai pakeisti paprasčiausiai paėmus vieną sluoksnį, šiek tiek jį pasukus ir vėl įdėjus, 3D medžiagas laikančios jungtys yra stipresnės, todėl komandai teko treniruotis naujus derinimo būdus. Norėdami tai padaryti, jie pridėjo 3D medžiagą prie 2D medžiagos esant labai dideliam vakuumui, pasirinkdami augimo sąlygas, kai sluoksniai patys buvo surenkami atkuriamoje orientacijoje su tam tikru slinkimo laipsniu. „Turėjome išauginti struktūrą, kuri buvo tam tikru būdu pritaikyta“, – sako Reedas.

Augant medžiagoms, jie turėjo išsiaiškinti, kaip nustatyti skirtingų sluoksnių atomines konfigūracijas ir orientacijas. Nuskaitymo perdavimo elektroninis mikroskopas iš tikrųjų pateikia daugiau informacijos, nei matyti plokščiame vaizde. Tiesą sakant, kiekviename vaizdo taške yra detalių apie kelius, kuriais elektronai atkeliavo և išvyko (difrakcijos procesas), taip pat bet kokią energiją, kurią elektronai prarado per tą laiką. Visus šiuos duomenis galima atskirti, kad informaciją visuose vaizdo taškuose būtų galima panaudoti faktinei vientisai struktūrai iššifruoti. Šis procesas įmanomas tik naudojant naujausius mikroskopus, tokius kaip MIT.nano, kuris generuoja neįprastai siaurą ir tikslų elektronų zondą.

Mokslininkai naudojo metodų derinį, vadinamą 4D STEM և integraliniu diferenciniu fazių kontrastu, kad pasiektų šį procesą, kai iš vaizdo sąsajos ištraukiama visa struktūra. Tada, sako Varnavidesas, jie klausia. “Dabar, kai sąsajoje galime vizualizuoti visą struktūrą, ką reiškia suprasti šios sąsajos savybes?” Tyrėjai, atlikdami modeliavimą, parodė, kad elektroninės savybės turėtų pasikeisti, kad jas būtų galima suprasti tik tuo atveju, jei visa sąsajos struktūra būtų įtraukta į fizinę teoriją. „Mes nustatėme, kad ši sankaupa, lygiai taip pat, kai atomai išstumiami iš paviršiaus, sukuria elektronų krūvio tankio savybes“, – sako jis.

Rossas sako, kad išvados gali padėti pagerinti, pavyzdžiui, kai kuriuos mazgo mikroschemas. „Kiekviena 2D medžiaga, naudojama įrenginyje, turi egzistuoti 3D pasaulyje, taigi ji kažkaip turi būti kryžkelė su 3D medžiagomis“, – sako jis. Taigi, geriau suprasdami šias sąsajas ir naujus jų nagrinėjimo praktikoje būdus, „mes galime sukurti struktūras, turinčias norimas savybes, tam tikru planiniu, o ne laikinu būdu“.

„Šis darbas pats savaime atveria kelią šios metodikos taikymui augančiai moaro inžinerijos tyrimų linijai, kuri yra labai svarbi tokiose srityse kaip kvantinė fizika ar net katalizė“, – sakė Jordas Arbiolis iš Katalonijos nanomokslų ir nanotechnologijų instituto. Ispanijoje, kuri nebuvo susijusi su šiuo darbu.

“Naudotą metodiką galima gauti iš vietinės difrakcijos pavyzdžių, gautų apskaičiuoti vietinį elektronų impulsų moduliavimą”, – sakė jis ir pridūrė, kad “čia parodyta metodika ir tyrimai ateityje labai domina medžiagų mokslo bendruomenę”.

Nuoroda. „Kate Reed, George’as Varnavidesas, Joachimas Dalas Thomsenas, Abinashas Kumaras, Tang Pamas, Arthuras M. Blackburn, Polina Anike, Prineha Narang, M. Ames M. ” LeBeau ir Francesas M. Rossas, 2021 m. Vasario 26 d., Gamtos komunikacijos,
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

Pasiutligė neužkrėstų smegenų, tačiau vis tiek kenčia nuo stiprių nervų pažeidimų.

Koronavirusas II su sunkiais kvėpavimo takų simptomais, Virusas, sukeliantis COVID 19Vargu ar jis bus tiesiogiai perduodamas į smegenis, tačiau vis tiek gali sukelti sisteminę...

Mokslas yra paprastas. Kas yra kvantinis skaičiavimas?

Nuo JAV energetikos departamentas 2021 m. Balandžio 21 d Lawrence'o Berkeley nacionalinė laboratorija DOE naudoja pažangią aušinimo sistemą - uolekčių, kad kvantinių kompiuterių širdis būtų pakankamai...

Kaip paukštis kvėpuoja geriau? Tyrėjų išvados

Apytikslis „apvalios viščiuko“ su paukščio plaučiais skaičius parodė, kad įkvėpus oro judėjimas pirmyn ir atgal. Kaip iškvėpimai (mėlynos rodyklės) ir iškvėpimai (raudoni) sukelia...

Kalnų gorilos gali naudoti krūtinę, kad perduotų informaciją apie save

Vyriškos gorilos krūtis muša. Autoriai: Jordi Galbany / Diano Fossey Gorilla fondas Skrynios, nukentėjusios nuo kalnų gorilų, kurios greitai muša krūtinę rankomis, kad skambėtų...

Paprastas mokslas: kas yra biokuras?

Parengta JAV energetikos departamentas 2021 m. Balandžio 20 d Mokslininkai fermentavo mieles, kad iš augalų cukrus virstų biodyzelinu. Kreditas: Nuotrauka mandagumo Stephanopoulos Lab Saulės, vėjo ir...

Newsletter

Subscribe to stay updated.