Pagdidisenyo ng isang interface ng hangganan sa pagitan ng 2D at 3D na mga materyales

May-akda

Ang mga larawang ito ng “mga isla” ng mga atomo ng ginto na idineposito sa isang layer ng two-dimensional molybdenum sulfide ay ginawa sa dalawang magkakaibang mode gamit ang isang bagong pag-scan ng tunneling electron microscope (STEM) sa bagong pasilidad ng MIT.nano. Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng data mula sa dalawang magkakaibang mga mode, naisip ng mga mananaliksik ang three-dimensional na pag-aayos ng mga atom kung saan nagkikita ang dalawang materyales. May-akda ng imahe: kagandahang-loob ng mga mananaliksik

Ang isang advanced microscope ay tumutulong na ibunyag ang mga paraan upang makontrol ang mga elektronikong katangian ng mga atomikong manipis na materyales.

Sa mga nagdaang taon, ang mga inhinyero ay nakakita ng mga paraan upang mabago ang mga pag-aari ng ilang mga “dalawang-dimensional” na materyales na may kapal na isa o higit pang mga atomo sa pamamagitan ng pagtiklop sa dalawang layer at pag-ikitin ang mga ito nang kaunti. Lumilikha ito ng tinatawag na mga pattern ng moire, kung saan ang maliliit na paglilipat sa pagkakahanay ng mga atomo sa pagitan ng dalawang sheet ay lumilikha ng mas malalaking sukat na mga pattern. Binabago din nito ang paraan ng paggalaw ng mga electron sa materyal sa potensyal na kapaki-pakinabang na paraan.

Ngunit para sa praktikal na aplikasyon, ang gayong mga dalawang-dimensional na materyales sa ilang mga punto ay dapat na kumonekta sa ordinaryong mundo ng mga 3D na materyales. Isang pangkat ng internasyonal na pinamunuan ni З Ngayon ang mga mananaliksik ay nakagawa ng isang paraan upang makita kung ano ang nangyayari sa mga interface na ito, hanggang sa antas ng mga indibidwal na atomo, at upang maiugnay ang mga sample ng moire sa 2D-3D na hangganan na may mga nagresultang pagbabago sa mga materyal na pag-aari.

Ang mga bagong resulta ay inilarawan sa journal Mga komunikasyon ng kalikasan, sa isang artikulo nina Kate Reidi at George Varnavides, mga nagtapos na mag-aaral sa Massachusetts Institute of Technology, Francis Ross, mga propesor ng materyal na agham at teknolohiya, Jim Lebo at Pauline Anikeeva, at limang iba pa sa Massachusetts Institute of Technology, Harvard University, at Unibersidad.

Sistema ng ultra-mataas na vacuum ng laboratoryo

Sa laboratoryo, ang ultra-high vacuum system na ito ay ginamit upang maghanda ng mga sample ng mga interface ng materyal na 2D-3D, na pagkatapos ay pinag-aralan sa isang katabing pag-setup ng electron microscope. May-akda ng imahe: kagandahang-loob ng mga mananaliksik

Mga pares ng mga materyales na dalawang-dimensional tulad ng graphene o hexagonal boron nitride ay maaaring magpakita ng mga kakaibang pagbabago sa kanilang pag-uugali kapag ang dalawang sheet ay bahagyang nabaluktot na may kaugnayan sa bawat isa. Nagreresulta ito sa mga atomic gratings, katulad ng wire ng manok, na bumubuo ng mga pattern ng moire, mga pagkakaiba-iba ng mga kakaibang guhitan at droplet na minsan nangyayari kapag kumukuhanan ng larawan ang isang naka-print na imahe o sa pamamagitan ng isang window screen. Sa kaso ng mga materyal na 2D, “parang anupaman, ang bawat kawili-wiling materyal na pag-aari na maaari mong mapag-isipan ay maaaring gawing modulate o mabago sa pamamagitan ng pag-ikot ng mga materyales na 2D na may kaugnayan sa bawat isa,” sabi ni Ross, Propesor Ellen Swallow Richards sa MIT.

Bagaman ang mga pares ng 2D na ito ay nagsasama-sama ng pansin sa agham sa buong mundo, sinabi niya, kakaunti ang nalalaman tungkol sa kung ano ang nangyayari kung saan nakakatugon ang mga materyal na 2D sa mga ordinaryong solido. “Ano ang naging interesado sa amin sa paksang ito,” sabi ni Ross, “kung ano ang nangyayari kapag ang materyal na 2D at materyal na 3D ay magkakasama. Una, kung paano sukatin ang mga posisyon ng atomic sa at malapit sa interface? Pangalawa, ano ang pagkakaiba sa pagitan ng isang 3D-2D at 2D-2D interface? At pangatlo, paano mo ito mapamamahalaan – mayroong isang paraan upang sadyang idisenyo ang isang istrakturang mezzanine upang makuha ang tamang mga pag-aari?

Ang paghanap ng eksakto kung ano ang nangyayari sa gayong mga interface ng 2D-3D ay naging isang nakakatakot na gawain, dahil ang mga electron microscope ay lumilikha ng isang imahe ng isang sample sa projection, at limitado ang kanilang kakayahan na kunin ang lalim na impormasyon na kinakailangan upang pag-aralan ang mga detalye ng istraktura ng interface. Ngunit naisip ng koponan ang isang hanay ng mga algorithm na pinapayagan silang mag-extrapolate mula sa mga imahe ng pattern na mukhang isang hanay ng mga magkakapatong na anino upang malaman kung aling pagsasaayos ng mga kumplikadong layer ang magbibigay sa kumplikadong “anino”.

Gumamit ang koponan ng dalawang natatanging microscope ng electron-beam sa Massachusetts Institute of Technology upang pagsamahin ang mga kakayahan na walang kapantay sa mundo. Sa isa sa mga aparatong ito, ang mikroskopyo ay nakakonekta nang direkta sa sistemang katha upang ang mga sample ay maaaring magawa sa site sa pamamagitan ng aplikasyon at kaagad na pinakain sa sistema ng pagtuklas. Ito ay isa sa ilang mga tulad na institusyon sa buong mundo na gumagamit ng isang ultra-mataas na vacuum system na pumipigil kahit na ang pinakamaliit na mga impurities mula sa kontaminado ang sample kapag naghahanda ng 2D-3D interface. Ang pangalawang aparato ay isang pag-scan ng electron microscope na nakalagay sa bagong pasilidad ng pananaliksik ng MIT, MIT.nano. Ang mikroskopyo na ito ay may mahusay na katatagan para sa mataas na resolusyon ng imaging, pati na rin ang iba’t ibang mga imaging mode para sa pagkolekta ng sample ng impormasyon.

Hindi tulad ng mga kumplikadong materyales ng 2D, ang oryentasyon na kung saan ay maaaring madaling mabago sa pamamagitan lamang ng pag-aangat ng isang layer, pag-ikot nang bahagya at muling pagtula, ang mga bono na naglalaman ng mga 3D na materyales ay mas malakas, kaya’t ang koponan ay kailangang bumuo ng mga bagong paraan upang makakuha ng mga nakahanay na mga layer. Upang magawa ito, nagdagdag sila ng 3D na materyal sa materyal na 2D sa isang napakataas na vacuum, na pumipili ng mga kondisyon sa paglago kapag ang mga layer ay nagtipun-tipon sa isang kopya ng orientation na may isang tiyak na antas ng pag-ikot. “Kailangan naming mag-ehersisyo ang isang istraktura na kailangang napagkasunduan sa isang tiyak na paraan,” sabi ni Reidi.

Lumalagong mga materyales, kailangan nilang malaman kung paano ihayag ang pagsasaayos ng atomic at oryentasyon ng iba’t ibang mga layer. Ang pag-scan ng isang electron microscope ay talagang gumagawa ng maraming impormasyon kaysa sa nakikita sa isang patag na imahe; sa katunayan, ang bawat punto sa pigura ay naglalaman ng mga detalye ng mga landas na kasama kung saan dumating ang mga electron at nagpunta (proseso ng diffraction), pati na rin ang anumang enerhiya na nawala sa proseso ng mga electron. Ang lahat ng data na ito ay maaaring mai-highlight upang ang impormasyon sa lahat ng mga punto sa imahe ay ginagamit upang mai-decode ang tunay na solidong istraktura. Posible lamang ang prosesong ito para sa mga state-of-the-art microscope tulad ng MIT.nano, na bumubuo ng isang hindi pangkaraniwang makitid at tumpak na electron probe.

Gumamit ang mga mananaliksik ng isang kumbinasyon ng mga diskarteng tinatawag na 4D STEM, at isinama na pagkakaiba sa phase phase upang makamit ang prosesong ito ng pagkuha ng kumpletong istraktura sa isang seksyon ng isang imahe. Pagkatapos, sabi ni Varnavidas, tinanong nila, “Ngayon na matutuklasan namin ang kumpletong istraktura sa interface, ano ang ibig sabihin ng pag-unawa sa mga katangian ng interface na iyon?” Bilang isang resulta ng simulation, ipinakita ng mga mananaliksik na ang mga elektronikong katangian ay nagbabago sa isang paraan na maiintindihan lamang nila kapag ang kumpletong istraktura ng interface ay isinama sa pisikal na teorya. “Natagpuan namin na ang pagtambak na ito, ang paraan ng pagtitipon ng mga atomo sa labas ng eroplano, talagang binabago ang mga elektronikong katangian at pagkasukat ng singil,” sabi niya.

Sinabi ni Ross na ang data ay maaaring makatulong, halimbawa, pagbutihin ang pagkakakonekta ng ilang mga microchip. “Ang bawat materyal na 2D na ginamit sa isang aparato ay dapat na mayroon sa isang 3D na mundo, at sa gayon ito ay sa anumang paraan ay nagsasama sa mga three-dimensional na materyales,” sabi niya. Kaya, sa mas mahusay na pag-unawa sa mga interface na ito at mga bagong paraan ng paggalugad sa mga ito sa aksyon, “nagagawa naming maghanda ng mga istraktura na may mga nais na pag-aari sa isang nakaplanong sa halip na isang espesyal na paraan.”

“Ang gawaing ito mismo ay magbubukas ng larangan, pinapayagan ang pamamaraang ito na mailapat sa isang lumalagong linya ng siyentipikong teknolohiya ng moire, napakahalaga sa mga lugar tulad ng physum na dami o kahit na catalysis,” sabi ni Jordi Arbiol ng Catalan Institute of Science at Nanotechnology sa Ang Espanya, na hindi kasangkot. Sa gawaing ito.

“Ang pamamaraang ginamit ay may kakayahang makalkula mula sa nagresultang mga lokal na modelo ng pagkakaiba sa modulasyon ng momentum ng lokal na elektron,” sabi niya, na idinagdag na “ang pamamaraan at pananaliksik na ipinakita dito ay may mahusay na hinaharap at malaking interes para sa pamayanan ng mga materyales.”

Sanggunian: “Direktang visualization at elektronikong nakabalangkas na istraktura ng moire gratings sa 2D / 3D interface” Kate Reidi, Georgios Varnavides, Joachim Dahl Thomsen, Abinash Kumar, Thang Pham, Arthur M. Blackburn, Pauline Anikeeva, Prineha M. Narang, Jay Le Narang , J. Francis M. Ross, Pebrero 26, 2021, Mga komunikasyon ng kalikasan.
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

Ang lumalaking problema ng “malalim na heograpiya”

Ang maaaring mukhang isang imahe ng Tacoma ay talagang isang simulate na nilikha sa pamamagitan ng paglilipat ng mga biswal na imahe ng Beijing...

Bagong Milky Way Exterior Destroyers Bagong Sky Map ay Inilabas – Madilim na Mahalagang Mga Konsepto ay Maaaring Magbigay ng Bagong Eksperimento

Ang mga astronomo ay naglabas ng isang bagong celestial map ng Milky Way galaxy na pinakamalapit sa aming kalawakan. Kredito: NASA / JPL-Caltech...

Susunod na Generation Stable Pop-Up na Istraktura na inspirasyon ni Origami

Ni Harvard John A. Paulson School of Engineering at Applied Science Abril 22, 2021 Ang hindi masusunog na kanlungan na ito ay hindi natatakpan ng makapal...

Pinalitan ng DNA ang Y Chromosome na Nag-aambag ng Maikling Buhay na Buhay sa Mga Lipad ng Lalaki

Pagpapayaman ng Heterochromatin sa lahat ng mga chromosome. Immunofluorescence stain ng H3K9me3 sa male mitotic chromosome. Bar scale ay 50μm. Kredito:...

Pinapayagan ng mga polimer na kumakain ng polimer ang “biodegradable” na mga plastik na tunay na masusunog

Ang ginagamot na plastik (kaliwa) ay naghiwalay pagkatapos ng tatlong araw lamang sa karaniwang pag-aabono (kanan) at ganap na makalipas ang dalawang linggo. ...

Newsletter

Subscribe to stay updated.