För att ytterligare krympa elektroniska enheter och minska energiförbrukningen, halvledarindustrin är intresserad av att använda 2D-material, men tillverkare behöver en snabb och exakt metod för att upptäcka defekter i dessa material för att avgöra om materialet är lämpligt för tillverkning av enheter. Nu har ett team av forskare utvecklat en teknik för att snabbt och känsligt karakterisera defekter i 2D-material.

Tvådimensionella material är atomärt tunna, den mest kända är grafen, ett enatomtjockt lager av kolatomer.

"Människor har kämpat för att göra dessa 2D-material utan defekter, sa Mauricio Terrones, Verne M. Willaman professor i fysik, Penn State. "Det är det ultimata målet. Vi vill ha ett 2D-material på en fyra-tums wafer med åtminstone ett acceptabelt antal defekter, men du vill utvärdera det på ett snabbt sätt."

Forskarnas – som representerar Penn State, Northeastern University, Rice University och Universidade Federal de Minas Gerais i Brasilien – lösningen är att använda laserljus kombinerat med andra övertonsgenerationen, ett fenomen där frekvensen av ljuset som lyste på materialet reflekteras med dubbelt så hög frekvens som den ursprungliga. De lägger till mörkfältsbilder, en teknik där främmande ljus filtreras bort så att defekter lyser igenom. Enligt forskarna, detta är det första fallet där mörkfältsavbildning användes, och det ger tre gånger så hög ljusstyrka som standardmetoden för ljusfältsavbildning, gör det möjligt att se typer av defekter som tidigare varit osynliga.

"Lokaliseringen och identifieringen av defekter med den vanligen använda ljusfältets andra övertonsgenerering är begränsad på grund av interferenseffekter mellan olika korn av 2D-material, sa Leandro Mallard, en senior författare på en ny tidning i Nanobokstäver och professor vid Universidade Federal de Minas Gerais. "I detta arbete har vi visat att vi genom att använda mörkt fält SHG tar bort interferenseffekterna och avslöjar korngränserna och kanterna hos halvledande 2D-material. En sådan ny teknik har bra rumslig upplösning och kan avbilda stora ytor som skulle kunna användas för att övervaka kvaliteten på det material som produceras i industriell skala."

Vincent H. Crespi, Erkänd professor i fysik, Materialvetenskap och teknik, och kemi, Penn State, Lagt till, "Kristaller är gjorda av atomer, och så defekterna i kristaller - där atomer är felplacerade - är också av atomstorlek.

"Vanligtvis, kraftfull, dyra och långsamma experimentella sonder som gör mikroskopi med elektronstrålar behövs för att urskilja så fina detaljer i ett material, sade Crespi. Här, vi använder en snabb och tillgänglig optisk metod som drar ut bara signalen som härrör från själva defekten för att snabbt och tillförlitligt ta reda på hur 2D-material sys ihop av korn som är orienterade på olika sätt."

En annan medförfattare jämförde tekniken med att hitta en viss nolla på en sida full av nollor.

"I det mörka fältet, alla nollor görs osynliga så att endast den defekta nollan sticker ut, sa Yuanxi Wang, biträdande forskningsprofessor vid Penn State's Materials Research Institute.

Halvledarindustrin vill ha möjlighet att kontrollera defekter på produktionslinjen, men 2D-material kommer sannolikt att användas i sensorer innan de används i elektronik, enligt Terrones. Eftersom 2D-material är flexibla och kan integreras i mycket små utrymmen, de är goda kandidater för flera sensorer i en smartklocka eller smartphone och myriaden av andra platser där små, flexibla sensorer krävs.

"Nästa steg skulle vara en förbättring av den experimentella uppställningen för att kartlägga nolldimensionsdefekter - atomära vakanser till exempel - och även utöka det till andra 2D-material som är värd för olika elektroniska och strukturella egenskaper, " sa huvudförfattaren Bruno Carvalho, en tidigare gästforskare i Terrones grupp,