Vid det här laget, det är väl underförstått att gallring av ett material till en enda atomtjocklek dramatiskt kan förändra materialets fysiska egenskaper. Grafen, det mest kända 2-D-materialet, har oöverträffad styrka och elektrisk konduktivitet, till skillnad från dess bulkform som grafit. Forskare har börjat studera hundratals andra 2-D-material för elektronik, avkänning, tidig cancerdiagnos, avsaltning av vatten och en mängd andra applikationer. Nu, ett team av Penn State-forskare vid Institutionen för fysik och Center for Two-Dimensionale and Layered Materials (2DLM) har utvecklat en snabb, icke-destruktiv optisk metod för att analysera defekter i tvådimensionella material.

"I halvledarindustrin, till exempel, defekter är viktiga eftersom du kan styra egenskaper genom defekter, "sa Mauricio Terrones, professor i fysik, materialvetenskap och teknik och kemi, Penn State. "Detta är känt som defektteknik. Industrin vet hur man kontrollerar defekter och vilka typer som är bra för enheter."

För att verkligen förstå vad som händer i ett 2-D-material som volframdisulfid, som har ett enda atomtjockt lager av volfram inklämt mellan två atomlager av svavel, skulle kräva ett elektronmikroskop med hög effekt som kan se enskilda atomer och hålen, kallas lediga platser, där atomerna saknas.

"Fördelen med transmissionselektronmikroskopi (TEM) är att du får en bild och du kan se direkt vad som händer - du får direkt bevis, sa Bernd Kabius, personalvetare vid Penn State's Materials Research Institute, en expert på TEM och en medförfattare på tidningen som visas den 28 april i onlinejournalen Vetenskapliga framsteg .

Nackdelarna, enligt Kabius, är en ökad risk för skada på det känsliga 2-D-materialet, den komplexa beredning som krävs av provet och den tid det handlar om - en hel dag med instrumenttid för att avbilda ett enda prov och en vecka eller mer för att tolka resultaten. Av dessa skäl, och andra, forskare skulle vilja kombinera TEM med en annan metod för att titta på provet som är enklare och snabbare.

Tekniken som utvecklats av Terrones och hans team använder en optisk metod, fluorescerande mikroskopi, där en laser med en specifik våglängd lyser på ett prov och de exciterade elektronerna, drivs till en högre energinivå, var och en avger en foton med längre våglängd när elektronen sjunker till en lägre energinivå. Våglängden, eller ljusfärg, kan mätas med spektroskopi och ger information om defektyp och plats på provet. Dessa data visas som toppar på ett diagram, som teamet sedan korrelerade till visuell bekräftelse under TEM. Teoretiska beräkningar hjälpte också till att validera de optiska resultaten. Ett nödvändigt steg i processen kräver att provet placeras i en temperaturkontrollerad provhållare, eller scen, och sänka temperaturen till 77 kelvin, nästan 200 grader C under noll. Vid denna temperatur, elektronhålsparen som producerar fluorescensen är bundna till defekten - i fallet med detta arbete en grupp svavelvakanser i det övre lagret av smörgåsen - och avger en signal som är starkare än materialets orörda områden.

"För första gången, vi har etablerat ett direkt samband mellan det optiska svaret och mängden atomdefekter i tvådimensionella material, "sa Victor Carozo, tidigare postdoktor i Terrones lab och första författare till verket.

Terrones tillade, "För halvledarindustrin, detta är en snabb mätning, en optisk icke-destruktiv metod för att utvärdera defekter i 2-D-system. Det viktiga är att vi kunde korrelera vår optiska metod med TEM och även med atomistiska simuleringar. Jag tror att denna metod kan vara till stor hjälp för att upprätta ett protokoll för karakterisering av 2-D kristallina material. "

I detta sammanhang, medförfattare Yuanxi Wang, en postdoktor i 2DLM och en teoretiker, Lagt till, "Våra beräkningar visar att elektroner fångade av lediga platser avger ljus vid olika våglängder än utsläppet från defektfria regioner. Regioner som avger ljus vid dessa våglängder kan enkelt identifiera lediga platser inom prover."

Och Vincent Crespi, Ärade professor i fysik, Materialvetenskap och teknik och kemi, Penn State, sade "Vi kan inte bara fastställa en empirisk korrelation mellan förekomsten av vissa defekter och modifierat ljusemission, men identifiera också orsaken till den korrelationen genom beräkningar av första principer. "

Enhetsapplikationer som kan förbättras genom detta arbete inkluderar membran med selektiva porstorlekar för att ta bort salt från vatten eller för DNA -sekvensering, gasavkänning när gasmolekyler binder till specifika lediga platser och dopning av 2-D-material, vilket är tillsatsen av främmande atomer för att förbättra egenskaperna.