Elektronmikroskopibilder av en molybden -disulfidyta avslöjar att bildartefakter kan få svavelatomer att se ljusare eller mörkare ut, vilket leder till felidentifiering av kristallstrukturer. Kredit:2020 KAUST
Ett instrumentfel kan leda till fullständig felidentifiering av vissa kristaller, rapporterar en KAUST-studie som föreslår att forskare måste vara försiktiga när de använder elektronmikroskop för att mäta tvådimensionella (2-D) halvledare.
2-D-övergångsmetalldikalkogenider (TMD) tappas för nya elektroniska enheter eftersom de kan existera i flera kristallfaser med egenskaper som sträcker sig från halvledande till metalliska. Forskare använder flera verktyg för att reda ut struktur-egenskap-relationerna i olika TMD-faser, men en av de mest kritiska är skanningsöverföringselektronmikroskopet. Detta instrument kan både lösa atomer på ytor och kemiskt identifiera dem med variationer i bildkontrast.
Areej Aljarb, en materialvetare som arbetar i Vincent Tungs grupp på KAUST, kännetecknade nyligen TMD tillverkade av molybdendisulfid (MoS 2 ) när hon upptäckte något oroande. Även om den första spektroskopiska analysen visade att hon hade producerat halvledande 2-D-filmer, transmissionselektronmikroskopbilderna indikerade att MoS 2 hade arrangerats i en metallisk kristallfas.
För att lösa denna skillnad, laget tog hjälp av Sergei Lopatin, en expert på mikroskopi. Tillsammans, de märkte att elektronstrålarna som kom från deras toppmoderna instrument hade ovanliga intensitetsmönster när de kontaktade TMD-ytan. Istället för de förväntade sfäriska formerna, strålens intensitetsprofiler verkade triangulära. "Detta var ett tydligt bevis på ett bildfokuseringsproblem som kallas astigmatism, "konstaterar Lopatin.
Den relativa positionen för provet som stöds på TEM-hållaren före (överst) och efter (botten) rotation (vänster;) motsvarande HR-STEM ADF-bilder före (överst) och efter (botten) en rotation i planet med 60 ° (höger). Kredit:2020 KAUST
Linserna som används för att fokusera elektronmikroskopstrålar innehåller alltid små brister som kan suddiga bilder, särskilt i atomskalaupplösningar. Teamet insåg att de observerade astigmatiska effekterna kan påverka kontrasten mellan atomer som visas på ytan. Genom att korrelera datasimuleringar av MoS 2 yta med experimentell mikroskopi, de såg flera fall där kristallfaser kunde identifieras felaktigt på grund av att svavelatomer ändrade utseende - och till och med försvann - under avbildning.
"Atomkontrast kan vara ett kraftfullt verktyg för att härleda kristallfaser, men dessa artefakter urholkar grunden för sådana förutsägelser, "säger Tung." Det ökar möjligheten att det redan har tagits många bilder av 2-D TMD som påverkats negativt av astigmatism. "
Experiment på andra 2-D-ytor, inklusive grafen, bekräftade att falska faser kan observeras i en mängd olika material. Forskarna visade att dessa effekter kan lindras genom att använda strålar där elektronerna nästan alla är energiskt ekvivalenta.
"Skanningsöverföringselektronmikroskopi är ovärderlig vid avbildning av kristallstrukturen i 2-D-material; men vi måste vara medvetna om bildartefakter eftersom ignorering av dem kan leda till vetenskapligt falska påståenden, säger Aljarb.
Studien publiceras i Vetenskapliga framsteg .
