Att kolla in en hög med böcker från biblioteket är lika enkelt som att söka i bibliotekets katalog och använda unika telefonnummer för att hämta varje bok från deras hyllplatser. Med en liknande princip, forskare vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) – ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid Brookhaven National Laboratory – samarbetar med Harvard University och Massachusetts Institute of Technology (MIT) för att skapa en första av- sitt slag automatiserat system för att katalogisera atomärt tunna tvådimensionella (2-D) material och stapla dem i skiktade strukturer. Kallas Quantum Material Press, eller QPress, detta system kommer att påskynda upptäckten av nästa generations material för det framväxande området kvantinformationsvetenskap (QIS).

Strukturer som erhålls genom att stapla enstaka atomlager ("flingor") skalade från olika föräldrabulkkristaller är av intresse på grund av den exotiska elektroniska, magnetisk, och optiska egenskaper som framträder vid så små (kvant)storleksskalor. Dock, flingexfoliering är för närvarande en manuell process som ger en mängd olika flingstorlekar, former, orienteringar, och antal lager. Forskare använder optiska mikroskop med hög förstoring för att manuellt jaga igenom tusentals flingor för att hitta de önskade, och den här sökningen kan ibland ta dagar eller till och med en vecka, och är benägen till mänskliga fel.

När högkvalitativa 2D-flingor från olika kristaller har lokaliserats och deras egenskaper karakteriserats, de kan sättas ihop i önskad ordning för att skapa de skiktade strukturerna. Stapling är mycket tidskrävande, tar ofta längre tid än en månad att montera en enskiktsstruktur. För att avgöra om de genererade strukturerna är optimala för QIS-applikationer – allt från datoranvändning och kryptering till avkänning och kommunikation – behöver forskare sedan karakterisera strukturernas egenskaper.

"När vi pratar med våra universitetskollegor vid Harvard och MIT som syntetiserar och studerar dessa skiktade heterostrukturer, vi lärde oss att även om bitar av automatisering existerar – som programvara för att lokalisera flingorna och joysticks för att manipulera flingorna – finns det ingen helt automatiserad lösning, " sa CFN-chefen Charles Black, den administrativa ledningen för QPress-projektet.

Idén till QPress skapades i början av 2018 av professor Amir Yacoby vid Institutionen för fysik vid Harvard. Konceptet förfinades sedan genom ett samarbete mellan Yacoby; Black och Kevin Yager, ledare för CFN Electronic Nanomaterials Group; Philip Kim, även vid Harvards institution för fysik; och Pablo Jarillo-Herrero och Joseph Checkelsky, båda vid institutionen för fysik vid MIT.

Enligt Black, den unika CFN-rollen var tydlig:"Vi insåg att bygga en robot som kan möjliggöra designen, syntes, och testning av kvantmaterial är extremt väl anpassad till kompetensen och expertis hos forskare vid CFN. Som en användaranläggning, CFN är tänkt att vara en resurs för det vetenskapliga samfundet, och QIS är ett av våra tillväxtområden där vi utökar vår kapacitet, vetenskapliga program, och personal."

Grafen sätter igång 2D-materialforskning

Intresset för 2D-material går tillbaka till 2004, när forskare vid University of Manchester isolerade världens första 2D-material, grafen - ett enda lager av kolatomer. De använde en förvånansvärt grundläggande teknik där de placerade en bit grafit (kärnmaterialet i pennor) på tejp, vika tejpen på mitten upprepade gånger och dra isär den för att få ut allt tunnare flingor. Sedan, de gnuggade tejpen på en plan yta för att överföra flingorna. Under ett optiskt mikroskop, de enatomtjocka flingorna kan lokaliseras genom sin reflektionsförmåga, framstår som mycket svaga fläckar. Erkänd med ett Nobelpris 2010, upptäckten av grafen och dess ovanliga egenskaper – inklusive dess anmärkningsvärda mekaniska styrka och elektriska och termiska ledningsförmåga – har fått forskare att utforska andra 2D-material.

Många labb fortsätter att använda detta mödosamma tillvägagångssätt för att göra och hitta 2D-flingor. Medan tillvägagångssättet har gjort det möjligt för forskare att utföra olika mätningar på grafen, hundratals andra kristaller – inklusive magneter, supraledare, och halvledare – kan exfolieras på samma sätt som grafit. Dessutom, olika 2D-flingor kan staplas för att bygga material som aldrig har funnits tidigare. Forskare har helt nyligen upptäckt att egenskaperna hos dessa staplade strukturer beror inte bara på ordningen på lagren utan också på den relativa vinkeln mellan atomerna i lagren. Till exempel, ett material kan justeras från ett metalliskt till ett isolerande tillstånd helt enkelt genom att kontrollera denna vinkel. Med tanke på det stora utbudet av prover som forskare skulle vilja utforska och den felbenägna och tidskrävande karaktären hos manuella syntesmetoder, automatiserade tillvägagångssätt behövs i hög grad.

"I sista hand, vi skulle vilja utveckla en robot som levererar en staplad struktur baserad på 2D-flingsekvenserna och kristallorienteringarna som forskare väljer genom ett webbgränssnitt till maskinen, " sa Black. "Om det lyckas, QPress skulle göra det möjligt för forskare att ägna sin tid och energi åt att studera material, snarare än att göra dem."

Ett modulärt tillvägagångssätt

I september 2018, ytterligare utveckling av QPress tilldelades finansiering av DOE, med en tvådelad strategi. En utmärkelse var för QPress hårdvaruutveckling vid Brookhaven, ledd av Black; Yager; CFN-forskarna Gregory Doerk, Aaron Stein, och Jerzy Sadowski; och CFN-vetenskapsassistent Young Jae Shin. Det andra priset var för ett samordnat forskningsprojekt ledd av Yacoby, Kim, Jarillo-Herrero, och Checkelsky. Harvard- och MIT-fysikerna kommer att använda QPress för att studera exotiska former av supraledning - förmågan hos vissa material att leda elektricitet utan energiförlust vid mycket låga temperaturer - som finns i gränssnittet mellan en supraledare och magnet. Vissa forskare tror att sådana exotiska tillstånd av materia är nyckeln till att utveckla kvantberäkningar, som förväntas överträffa kapaciteten hos även dagens mest kraftfulla superdatorer.

En helt integrerad automatiserad maskin som består av en exfoliator, en katalogiserare, ett bibliotek, en staplare, och en karaktäriserare förväntas om tre år. Dock, dessa moduler kommer online i etapper för att möjliggöra användningen av QPress tidigt.

Laget har redan gjort vissa framsteg. De byggde en prototyp exfoliator som efterliknar verkan av en människa som skalar flingor från en grafitkristall. Exfoliatorn trycker in en polymerstämpel i en bulk moderkristall och överför de exfolierade flingorna genom att pressa dem på ett substrat. I deras första uppsättning experiment, teamet undersökte hur man ändrade olika parametrar – stämplingstryck, pressningstid, antal upprepade tryckningar, pressvinkel, och sidokraft som appliceras under överföringen – påverkar processen.

"En av fördelarna med att använda en robot är att till skillnad från en människa, den återger samma rörelser varje gång, och vi kan optimera dessa rörelser för att generera massor av mycket tunna stora flingor, " förklarade Yager. "Därför, exfoliatorn kommer att förbättra både kvaliteten och kvantiteten på 2D-flingor skalade från moderkristaller genom att förfina hastigheten, precision, och processens repeterbarhet."

I samarbete med Stony Brook University biträdande professor Minh Hoai Nguyen vid institutionen för datavetenskap och Ph.D. student Boyu Wang från Computer Vision Lab, forskarna bygger också en flingkatalogerare. Genom bildanalysprogram, katalogiseraren skannar ett substrat och registrerar placeringen av exfolierade flingor och deras egenskaper.

"Flingorna som forskarna är intresserade av är tunna och därmed svaga, så manuell visuell inspektion är en mödosam och felbenägen process, ", sade Nguyen. "Vi använder toppmoderna datorseende och tekniker för djupinlärning för att utveckla mjukvara som kan automatisera denna process med högre noggrannhet."

"Våra medarbetare har sagt att ett system som kan kartlägga deras prov av flingor och visa dem var de "bra" flingorna finns – som bestäms av parametrar de definierar – skulle vara oerhört användbart för dem, ", sa Yager. "Vi har nu den här förmågan och skulle vilja använda den."

Så småningom, teamet planerar att lagra en stor uppsättning olika katalogiserade flingor på hyllor, liknande böcker i ett bibliotek. Forskare kan sedan komma åt detta materialbibliotek för att välja de flingor de vill använda, och QPress skulle hämta dem.

Enligt Black, den största utmaningen kommer att vara konstruktionen av staplaren – modulen som hämtar prover från biblioteket, "kör" till de platser där de valda flingorna finns, och plockar upp flingorna och placerar dem i en repetitiv process för att bygga staplar enligt monteringsinstruktionerna som forskarna programmerar in i maskinen. I sista hand, forskarna skulle vilja att staplaren skulle montera de skiktade strukturerna inte bara snabbare utan också mer exakt än manuella metoder.

Robotens sista modul kommer att vara en materialkaraktär, som kommer att ge feedback i realtid genom hela syntesprocessen. Till exempel, karakteriseraren kommer att identifiera kristallstrukturen och orienteringen av exfolierade flingor och skiktade strukturer genom lågenergielektrondiffraktion (LEED) – en teknik där en stråle av lågenergielektroner riktas mot ytan av ett prov för att producera ett diffraktionsmönster som är karakteristiskt. av ytgeometrin.

"Det finns många steg för att leverera en helautomatiserad lösning, ", sa Black. "Vi avser att implementera QPress-funktioner när de blir tillgängliga för att maximera nyttan för QIS-gemenskapen."