För hundra år sedan, "2d" betydde två öre, eller 1-tum, nagel. I dag, "2-D" omfattar ett brett utbud av atomärt tunna platta material, många med exotiska egenskaper som inte finns i huvuddelen av samma material, med grafen – den enatomtjocka formen av kol – kanske den mest framträdande. Medan många forskare vid MIT och på andra håll undersöker tvådimensionella material och deras speciella egenskaper, Frances M. Ross, Ellen Swallow Richards professor i materialvetenskap och teknik, är intresserad av vad som händer när dessa 2-D-material och vanliga 3-D-material möts.

"Vi är intresserade av gränssnittet mellan ett 2-D-material och ett 3-D-material eftersom varje 2-D-material som du vill använda i en applikation, såsom en elektronisk enhet, måste fortfarande prata med omvärlden, som är tredimensionell, " säger Ross.

"Vi befinner oss i en intressant tidpunkt eftersom det sker enorma utvecklingar inom instrumentering för elektronmikroskopi, och det finns ett stort intresse för material med mycket noggrant kontrollerade strukturer och egenskaper, och dessa två saker korsar varandra på ett fascinerande sätt, säger Ross.

"Möjligheterna är mycket spännande, " säger Ross. "Vi kommer verkligen att förbättra karaktäriseringsförmågan här på MIT." Ross är specialiserad på att undersöka hur material i nanoskala växer och reagerar i både gaser och flytande media, genom att spela in filmer med hjälp av elektronmikroskopi. Mikroskopi av reaktioner i vätskor är särskilt användbar för att förstå mekanismerna för elektrokemiska reaktioner som styr prestanda hos katalysatorer, batterier, bränsleceller, och andra viktiga tekniker. "När det gäller vätskefasmikroskopi, du kan också titta på korrosion där saker löses upp, medan man i gaser kan titta på hur enskilda kristaller växer eller hur material reagerar med, säga, syre, " hon säger.

Ross började på Institutionen för materialvetenskap och teknik (DMSE) fakulteten förra året, flyttar från materialanalysavdelningen i nanoskala vid IBM Thomas J. Watson Research Center. "Jag lärde mig oerhört mycket av mina IBM-kollegor och hoppas kunna utöka vår forskning inom materialdesign och tillväxt i nya riktningar, " hon säger.

Spela in filmer

Under ett nyligen besök i hennes labb, Ross förklarade ett experimentellt upplägg som donerats till MIT av IBM. Ett ultrahögt vakuumförångarsystem kom först, för att senare fästas direkt på ett specialdesignat transmissionselektronmikroskop. "Detta ger kraftfulla möjligheter, " förklarar Ross. "Vi kan sätta ett prov i vakuumet, rengör det, göra alla möjliga saker med det som att värma och lägga till andra material, överför den sedan under vakuum till mikroskopet, där vi kan göra fler experiment medan vi spelar in bilder. Så vi kan, till exempel, avsätta kisel eller germanium, eller förånga metaller, medan provet är i mikroskopet och elektronstrålen lyser genom det, och vi spelar in en film av processen."

I väntan i vår på att transmissionselektronmikroskopet ska sättas upp, medlemmar av Ross' forskargrupp med sju medlemmar, inklusive materialvetenskap och teknik postdoc Shu Fen Tan och doktorand Kate Reidy, gjort och studerat en mängd olika självmonterade strukturer. Förångarsystemet var tillfälligt inrymt i prototyputrymmet på femte nivån i MIT.nano medan Ross labb förbereddes i byggnad 13. "MIT.nano hade resurserna och utrymmet; vi var glada över att kunna hjälpa, säger Anna Osherov, MIT.nano biträdande direktör för användartjänster.

"Vi är alla intresserade av denna stora utmaning av materialvetenskap, som är:"Hur gör du ett material med de egenskaper du vill ha och, särskilt, hur använder du nanoskala dimensioner för att justera egenskaperna, och skapa nya fastigheter, som du inte kan få från bulkmaterial?", säger Ross.

Med hjälp av det ultrahöga vakuumsystemet, doktoranden Kate Reidy bildade strukturer av guld och niob på flera 2D-material. "Guld älskar att växa till små trianglar, ", konstaterar Ross. "Vi har pratat med människor inom fysik och materialvetenskap om vilka kombinationer av material som är viktigast för dem när det gäller att kontrollera strukturerna och gränssnitten mellan komponenterna för att ge en viss förbättring av egenskaperna hos Materialet, " konstaterar hon.

Shu Fen Tan syntetiserade nickel-platina nanopartiklar och undersökte dem med en annan teknik, vätskecellselektronmikroskopi. Hon kunde ordna så att bara nickel löses upp, lämnar efter sig taggiga skelett av platina. "Inuti vätskecellen, vi kan se hela denna process med höga rumsliga och tidsmässiga upplösningar, " säger Tan. Hon förklarar att platina är en ädelmetall och mindre reaktiv än nickel, så under rätt förhållanden deltar nickel i en elektrokemisk upplösningsreaktion och platina lämnas kvar.

Platina är en välkänd katalysator inom organisk kemi och bränslecellsmaterial, Solbrända anteckningar, men det är också dyrt, så att hitta kombinationer med billigare material som nickel är önskvärt.

"Detta är ett exempel på mängden materialreaktioner du kan avbilda i elektronmikroskopet med hjälp av flytande cellteknik, " säger Ross. "Du kan odla material; du kan etsa bort dem; du kan titta på, till exempel, bubbelbildning och vätskerörelse."

En särskilt viktig tillämpning av denna teknik är att studera cykling av batterimaterial. "Självklart, Jag kan inte sätta i ett AA-batteri här, men du kan sätta upp de viktiga materialen inuti denna mycket lilla flytande cell och sedan kan du cykla fram och tillbaka och fråga, om jag laddar och laddar ur den 10 gånger, vad händer? Det fungerar inte lika bra som tidigare – hur misslyckas det?" frågar Ross. "Någon sorts felanalys och alla mellanstadier av laddning och urladdning kan observeras i vätskecellen."

"Mikroskopiexperiment där du ser varje steg i en reaktion ger dig en mycket bättre chans att förstå vad som händer, " säger Ross.

Moirémönster

Doktorand Reidy är intresserad av hur man kontrollerar tillväxten av guld på 2D-material som grafen, volfram diselenid, och molybdendisulfid. När hon deponerade guld på "smutsig" grafen, guldklumpar samlade runt föroreningarna. Men när Reidy odlade guld på grafen som hade värmts upp och renats från föroreningar, hon hittade perfekta trianglar av guld. Deponerar guld på både över- och undersidan av ren grafen, Reidy såg i mikroskop särdrag som kallas moirémönster, som orsakas när de överlappande kristallstrukturerna inte är i linje.

Guldtrianglarna kan vara användbara som fotoniska och plasmoniska strukturer. "Vi tror att detta kan vara viktigt för många applikationer, och det är alltid intressant för oss att se vad som händer, " säger Reidy. Hon planerar att utöka sin rena tillväxtmetod till att bilda 3-D metallkristaller på staplade 2-D-material med olika rotationsvinklar och andra strukturer med blandade skikt. Reidy är intresserad av egenskaperna hos grafen och hexagonal bornitrid ( hBN), samt två material som är halvledande i sin 2-D enskiktsform, molybdendisulfid (MoS2) och volframdiselenid (WSe2). "En aspekt som är väldigt intressant i 2D-materialgemenskapen är kontakterna mellan 2D-material och 3D-metaller, " säger Reidy. "Om de vill göra en halvledande enhet eller en enhet med grafen, kontakten kan vara ohm för grafenhöljet eller en Schottky-kontakt för halvledande höljet, och gränssnittet mellan dessa material är verkligen, väldigt viktigt."

"Du kan också föreställa dig enheter som använder grafen bara som ett distanslager mellan två andra material, ", tillägger Ross.

För enhetstillverkare, Reidy säger att det ibland är viktigt att få ett 3D-material att växa med dess atomarrangemang perfekt i linje med atomarrangemanget i 2D-skiktet under. Detta kallas epitaxiell tillväxt. Beskriver en bild av guld växt tillsammans med silver på grafen, Reidy förklarar, "Vi fann att silver inte växer epitaxiellt, det gör inte de där perfekta enkristallerna på grafen som vi ville göra, men genom att först deponera guldet och sedan lägga silver runt det, vi kan nästan tvinga silver att gå in i en epitaxiell form eftersom det vill anpassa sig till vad dess guldgrannar gör."

Elektronmikroskopbilder kan också visa brister i en kristall som porlande eller böjning, Reidy konstaterar. "En av de fantastiska sakerna med elektronmikroskopi är att den är väldigt känslig för förändringar i atomernas arrangemang, " säger Ross. "Du kan ha en perfekt kristall och det hela skulle se ut i samma grå nyans, men om du har en lokal förändring i strukturen, även en subtil förändring, elektronmikroskopi kan plocka upp det. Även om förändringen är bara inom de översta lagren av atomer utan att påverka resten av materialet under, bilden kommer att visa särdrag som gör att vi kan räkna ut vad som händer."

Reidy undersöker också möjligheterna att kombinera niob – en metall som är supraledande vid låga temperaturer – med en 2-D topologisk isolator, vismuttellurid. Topologiska isolatorer har fascinerande egenskaper vars upptäckt resulterade i Nobelpriset i fysik 2016. "Om du lägger niob på toppen av vismuttellurid, med ett mycket bra gränssnitt, du kan göra supraledande korsningar. Vi har tittat på niobdeposition, och snarare än trianglar ser vi strukturer som ser mer dendritiska ut, " säger Reidy. Dendritiska strukturer ser ut som frostmönster som bildas på insidan av fönster på vintern, eller de fjäderiga mönstren hos vissa ormbunkar. Att ändra temperaturen och andra förhållanden under avsättningen av niob kan förändra mönstren som materialet tar.

Alla forskare är angelägna om att nya elektronmikroskop ska anlända till MIT.nano för att ge ytterligare insikter om beteendet hos dessa material. "Mycket kommer att hända under det kommande året, saker och ting håller på att ta fart redan, och jag har fantastiska människor att arbeta med. Ett nytt mikroskop installeras nu i MIT.nano och ett annat kommer nästa år. Hela samhället kommer att se fördelarna med förbättrad mikroskopikarakteriseringskapacitet här, " säger Ross.

MIT.nanos Osherov noterar att två kryogena transmissionselektronmikroskop (cryo-TEM) är installerade och igång. "Vårt mål är att etablera en unik mikroskopicentrerad gemenskap. Vi uppmuntrar och hoppas kunna underlätta en korspollinering mellan kryo-EM-forskarna, främst inriktad på biologiska tillämpningar och "mjuka" material, såväl som andra forskargrupper över hela campus, " säger hon. Det senaste tillskottet av ett sveptransmissionselektronmikroskop med förbättrade analytiska möjligheter (monokromator med ultrahög energiupplösning, 4-D STEM detektor, Super-X EDS detektor, tomografi, och flera in situ-innehavare) som togs in av John Chipman docent i materialvetenskap och teknik James M. LeBeau, en gång installerad, kommer att avsevärt förbättra mikroskopikapaciteten på MIT-campus. "Vi anser att professor Ross är en enorm resurs för att ge oss råd om hur vi kan forma in situ-metoden för mätningar med hjälp av den avancerade instrumenteringen som kommer att delas och tillgänglig för alla forskare inom MIT-gemenskapen och utanför, " säger Osherov.

Små sugrör

"Ibland vet du mer eller mindre vad du kommer att se under ett tillväxtexperiment, men väldigt ofta är det något man inte förväntar sig, " säger Ross. Hon visar ett exempel på nanotrådar av zinkoxid som odlades med en germaniumkatalysator. Vissa av de långa kristallerna har ett hål genom sina centra, skapa strukturer som är som små sugrör, cirkulär utsida men med en hexagonformad insida. "Detta är en enda kristall av zinkoxid, och den intressanta frågan för oss är varför de experimentella förhållandena skapar dessa aspekter inuti, medan utsidan är slät?" frågar Ross. "Nanostrukturer av metalloxid har så många olika tillämpningar, och varje ny struktur kan visa olika egenskaper. Särskilt, genom att gå till nanoskalan får du tillgång till en mängd olika egenskaper."

"I sista hand, vi skulle vilja utveckla tekniker för att odla väldefinierade strukturer av metalloxider, speciellt om vi kan kontrollera kompositionen på varje plats på strukturen, " säger Ross. En nyckel till detta tillvägagångssätt är självmontering, där materialet bygger sig in i den struktur du vill ha utan att behöva justera varje komponent individuellt. "Självmontering fungerar mycket bra för vissa material men problemet är att det alltid finns en viss osäkerhet, viss slumpmässighet eller fluktuationer. Det finns dålig kontroll över de exakta strukturerna du får. Så tanken är att försöka förstå självmontering tillräckligt bra för att kunna kontrollera det och få de egenskaper du vill ha, " säger Ross.

"Vi måste förstå hur atomerna hamnar där de är, använd sedan atomernas självmonterande förmåga för att skapa en struktur vi vill ha. Sättet att förstå hur saker sätts ihop är att se dem göra det, och det kräver filmer med hög rumslig upplösning och bra tidsupplösning, " förklarar Ross. Elektronmikroskopi kan användas för att inhämta strukturell och sammansättningsinformation och kan till och med mäta töjningsfält eller elektriska och magnetiska fält. "Föreställ dig att spela in alla dessa saker, men i en film där du också styr hur material växer inom mikroskopet. När du har gjort en film om att något händer, du analyserar alla steg i tillväxtprocessen och använder det för att förstå vilka fysikaliska principer som var nyckeln som avgjorde hur strukturen bildades och utvecklades och slutade som den gör."

Framtida inriktningar

Ross hoppas kunna få in en unik högupplöst, högvakuum TEM med kapacitet att avbilda materialtillväxt och andra dynamiska processer. Hon har för avsikt att utveckla nya möjligheter för både vattenbaserade och gasbaserade miljöer. Detta anpassade mikroskop är fortfarande i planeringsstadiet men kommer att placeras i ett av rummen i Imaging Suite i MIT.nano.

"Professor Ross är en pionjär inom detta område, "Osherov säger. "Majoriteten av TEM-studier hittills har varit statiska, snarare än dynamisk. Med statiska mätningar observerar du ett prov vid en viss ögonblicksbild i tiden, så att du inte får någon information om hur den bildades. Med hjälp av dynamiska mätningar, du kan titta på atomerna som hoppar från stat till stat tills de hittar den slutliga positionen. Förmågan att observera självmonterande processer och tillväxt i realtid ger värdefulla mekanistiska insikter. Vi ser fram emot att ta med dessa avancerade funktioner till MIT.nano." säger hon.

"När en viss teknik väl har spridits till allmänheten, det väcker uppmärksamhet, " säger Osherov. "När resultaten publiceras, forskare utökar sin vision om experimentell design baserat på tillgängliga toppmoderna möjligheter, leder till många nya experiment som kommer att fokuseras på dynamiska applikationer."

Rummen i MIT.nano har det tystaste utrymmet på MIT campus, utformad för att reducera vibrationer och elektromagnetiska störningar till en så låg nivå som möjligt. "Det finns utrymme tillgängligt för professor Ross att fortsätta sin forskning och utveckla den ytterligare, " Osherov säger. "Förmågan att in situ övervaka bildandet av materia och gränssnitt kommer att hitta tillämpningar inom flera områden över hela campus, och leda till en ytterligare push av de konventionella elektronmikroskopigränserna."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.