Spänningar och påfrestningar kan drastiskt förändra egenskaperna hos ett material, och TU Wien har nu utvecklat en metod för att synliggöra dessa inre deformationer.

Tvådimensionella material som grafen, som endast består av ett eller några atomlager, har varit en mycket lovande aspekt av materialvetenskap de senaste åren. De visar anmärkningsvärda egenskaper som öppnar upp för helt nya tekniska möjligheter, från sensorteknik till solceller.

Dock, Det finns ett viktigt fenomen som inte kunde mätas exakt fram till nu:de extrema inre påfrestningarna och belastningarna som sådana material kan utsättas för, som ofta drastiskt förändrar materialets fysiska egenskaper. TU Wien har nu framgångsrikt mätt dessa snedvridningar i 2-D-material på mikroskopisk nivå, vilket innebär att det nu är möjligt att exakt observera (punkt för punkt) hur egenskaperna hos ett material kan förändras till följd av en enkel snedvridning. Dessa nya mätmetoder har nu publicerats i specialistjournalen Naturkommunikation .

Sträckning och kompression

När ett material sträcks eller komprimeras, avståndet mellan de enskilda atomerna förändras, och detta avstånd påverkar materialets elektroniska egenskaper. Detta fenomen har använts i halvledarteknik i åratal:kiselkristaller, till exempel, kan odlas så att de är permanent under inre mekanisk påfrestning.

Dock, tvådimensionella material, som endast består av ett ultratunt lager, erbjuder mycket större potential:"En kristall kan sträckas med kanske en procent innan den går sönder. Med 2-D-material, deformation på tio eller tjugo procent är möjlig ", säger professor Thomas Müller från Photonics Institute (fakulteten för elektroteknik och informationsteknik) vid TU Wien. Beroende på deformation och mekaniska påfrestningar som finns i materialet, de elektroniska egenskaperna kan ändras helt, såsom elektronernas förmåga att absorbera inkommande ljus.

"Ända tills nu, om du ville mäta spänningar i denna typ av material måste du förlita dig på extremt komplicerade mätmetoder ", förklarar Lukas Mennel (TU Wien), huvudförfattare till publikationen. Till exempel, du kan observera ytan med ett transmissionselektronmikroskop, mäta det genomsnittliga avståndet mellan atomerna och därefter härleda eventuell sträckning eller kompression. På TU Wien, denna process har nu gjorts mycket enklare och mer exakt.

Rött ljus in, blått ljus släckt

Här, en anmärkningsvärd effekt som kallas frekvensfördubbling används:"Om du bestrålar specifika material - i vårt fall ett lager molybdendisulfid - med en lämplig laserstråle, materialet kan reflektera bakljus av annan färg ", förklarar Thomas Müller. Två fotoner i den inkommande laserstrålen kombineras för att bilda en foton med dubbel energi, som avges från materialet.

Dock, intensiteten av denna effekt beror på materialets inre symmetri. Vanligtvis, molybdendisulfid har en bikakeliknande struktur, dvs hexagonal symmetri. Om materialet sträcks eller komprimeras, denna symmetri är något snedvriden - och denna lilla förvrängning har en dramatisk effekt på ljusets intensitet som reflekteras tillbaka från materialet.

Om du lägger ett lager molybdendisulfid över en mikrostruktur, som att lägga en gummifilt över en klätterställning, resultatet är ett komplext mönster av lokala snedvridningar. Du kan nu använda en laser för att skanna materialet punkt för punkt och på så sätt få en detaljerad karta över dessa sträckor och kompressioner. "Genom att göra så, inte bara kan vi mäta svårighetsgraden av dessa deformationer, men vi kan också se den exakta riktningen de kör i ", förklarar Lukas Mennel.

Dessa avbildningsmetoder kan nu användas för den lokala, riktad anpassning av materialegenskaper. "Till exempel, anpassade materialdeformationer i solceller kan säkerställa att kostnadsfria bärare sprids bort i rätt riktning så snabbt som möjligt ", säger Thomas Müller. Denna forskning om 2-D-material innebär att en ny, kraftfullt verktyg är nu tillgängligt.