Inget är perfekt, eller så säger man, och det är inte alltid dåligt. I en studie vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), forskare lärde sig hur nanoskala defekter kan förbättra egenskaperna hos ett ultratunt, så kallat 2-D-material.

De kombinerade en verktygslåda med tekniker för att hämta naturliga, nanoskalldefekter som bildades vid tillverkning av små flingor av ett enskiktsmaterial som kallas volframdisulfid (WS2) och mätte deras elektroniska effekter i detalj som inte var möjliga tidigare.

"Vanligtvis säger vi att defekter är dåliga för ett material, "sa Christoph Kastl, en postdoktor vid Berkeley Labs Molecular Foundry och huvudförfattare till studien, publicerad i tidningen ACS Nano . "Här ger de funktionalitet."

Volframdisulfid är ett välstuderat 2-D-material som, som andra 2-D-material i sitt slag, uppvisar speciella egenskaper på grund av dess atomära tunnhet. Det är särskilt känt för sin effektivitet i att absorbera och avge ljus, och det är en halvledare.

Medlemmar i denna familj av 2-D-material kan fungera som högeffektiva datortransistorer och som andra elektronikkomponenter, och de är också främsta kandidater för användning i ultratunna, högeffektiva solceller och LED-belysning, liksom i kvantdatorer.

Dessa 2-D-material kan också införlivas i nya former av minneslagring och dataöverföring, såsom spintronics och valleytronics, som skulle revolutionera elektroniken genom att använda material på nya sätt för att göra mindre och effektivare enheter.

Det senaste resultatet markerar den första omfattande studien vid Labs Advanced Light Source (ALS) med en teknik som kallas nanoARPES, som forskare anlitade för att undersöka 2-D-proverna med röntgenstrålar. Röntgenstrålarna slog ut elektroner i provet, tillåter forskare att mäta deras riktning och energi. Detta avslöjade nanoskala defekter och hur elektronerna interagerar med varandra.

NanoARPES-funktionen är inrymd i en röntgenstråle, lanserades 2016, känd som MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory). Det är en av dussintals specialiserade strållinjer vid ALS, som producerar ljus i olika former-från infrarött till röntgen-för en mängd olika samtidiga experiment.

"Det är ett mycket stort framsteg att få denna elektroniska struktur på små längder, "sa Eli Rotenberg, en senior personalvetare vid ALS som var en drivande kraft i utvecklingen av MAESTRO och fungerade som en av studiens ledare. "Det spelar roll för riktiga enheter."

Teamet anlitade också en teknik som kallas XPS (röntgenfotoelektronspektroskopi) för att studera den kemiska sammansättningen av ett prov i mycket små skalor; en form av AFM (atomkraftsmikroskopi) för att se strukturella detaljer som närmar sig atomskalan; och en kombinerad form av optisk spektroskopi (Raman/fotoluminescensspektroskopi) för att studera hur ljus interagerar med elektronerna vid mikroskopskalor.

De olika teknikerna tillämpades på Molecular Foundry, där materialet syntetiserades, och på ALS. Provet som användes i studien innehöll mikroskopiska, grovt triangulära flingor, var och en mäter cirka 1 till 5 mikron (miljondelar av en meter). De odlades ovanpå titandioxidkristaller med en konventionell skiktningsprocess som kallas kemisk ångavsättning, och defekterna koncentrerades till stor del kring flingornas kanter, en signatur av tillväxtprocessen. De flesta experimenten fokuserade på en enda fling av volframdisulfid.

Adam Schwartzberg, en personalvetare vid Molecular Foundry som fungerade som medledare i studien, sa, "Det krävdes en kombination av flera typer av tekniker för att fastställa vad som verkligen händer."

Han lade till, "Nu när vi vet vilka defekter vi har och vilken effekt de har på materialets egenskaper, vi kan använda denna information för att minska eller eliminera defekter - eller om du vill ha felet, det ger oss ett sätt att veta var defekterna är, "och ger ny insikt om hur man sprider och förstärker defekterna i provproduceringsprocessen.

Medan koncentrationen av kantfel i WS2 -flingorna var allmänt känd före den senaste studien, Schwartzberg sa att deras effekter på materialprestanda inte tidigare hade studerats på ett så omfattande och detaljerat sätt.

Forskare lärde sig att en brist på 10 procent i svavelatomer var associerad med de defekta kantområdena i proverna jämfört med andra regioner, och de identifierade en lättare, 3 procent svavelbrist mot mitten av flingorna. Forskare noterade också en förändring i den elektroniska strukturen och ett större antal fritt rörliga elektriska laddningsbärare som är associerade med högfelade kantområden.

För denna studie, defekterna berodde på provtillväxtprocessen. Framtida nanoARPES -studier kommer att fokusera på prover med defekter som induceras genom kemisk bearbetning eller andra behandlingar. Forskare hoppas kunna kontrollera mängden och typen av atomer som påverkas, och de platser där dessa defekter är koncentrerade i flingorna.

Sådana små tweaks kan vara viktiga för processer som katalys, som används för att förbättra och påskynda många viktiga industriella kemiska produktionsprocesser, och att utforska kvantprocesser som bygger på produktion av enskilda partiklar som fungerar som informationsbärare inom elektronik.

Eftersom forskning om WS2 och relaterade 2-D-material fortfarande är i sin linda, det finns många okända om vilka roller specifika typer av defekter spelar i dessa material, och Rotenberg noterade att det finns en värld av möjligheter för så kallad "defect engineering" i dessa material.

Dessutom, MAESTROs nanoARPES har förmågan att studera de elektroniska strukturerna i staplar av olika typer av 2-D materiallager. Detta kan hjälpa forskare att förstå hur deras egenskaper beror på deras fysiska arrangemang, och utforska arbetsenheter som innehåller 2-D-material.

"Den oöverträffade småskaligheten av mätningarna - som för närvarande närmar sig 50 nanometer - gör nanoARPES till ett fantastiskt upptäcktsverktyg som kommer att vara särskilt användbart för att förstå nya material när de uppfinns, "Sa Rotenberg.

MAESTRO är en av de prioriterade strållinjerna som ska uppgraderas som en del av Labs ALS Upgrade (ALS-U) -projekt, ett stort företag som kommer att bli ännu ljusare, mer fokuserade ljusstrålar för experiment. "ALS-U-projektet kommer att ytterligare förbättra prestandan för nanoARPES-tekniken, "Sa Rotenberg, "göra sina mätningar 10 till 30 gånger effektivare och avsevärt förbättra vår förmåga att nå ännu kortare längder."

NanoARPES kan spela en viktig roll i utvecklingen av ny solteknik, eftersom det tillåter forskare att se hur nanoskala variationer i kemisk smink, antal defekter, och andra strukturella egenskaper påverkar elektronerna som i slutändan styr deras prestanda. Samma frågor är viktiga för många andra komplexa material, som superledare, magneter, och termoelektrisk - som omvandlar temperaturen till ström och vice versa - så kommer nanoARPES också att vara mycket användbart för dessa.