Ett team av materialvetare från Northwestern University har utvecklat en ny metod för att se atoms dynamiska rörelse i atomtunna 2-D-material. Bildtekniken, som avslöjar den bakomliggande orsaken bakom prestandafel för ett allmänt använt 2-D-material, kan hjälpa forskare att utveckla mer stabila och pålitliga material för framtida bärbara och flexibla elektroniska enheter.

Dessa 2-D-material-såsom grafen och borofen-är en klass av ettskikt, kristallina material med stor potential som halvledare i avancerade ultratunna, flexibel elektronik. Men på grund av deras tunna natur, materialen är mycket känsliga för yttre miljöer, och har kämpat för att visa långsiktig stabilitet och tillförlitlighet när de används i elektroniska enheter.

"Atomt tunna 2-D-material erbjuder potential att dramatiskt skala ner elektroniska enheter, vilket gör dem till ett attraktivt alternativ för att driva framtida bärbar och flexibel elektronik, "sa Vinayak Dravid, Abraham Harris professor i materialvetenskap och teknik vid McCormick School of Engineering.

Studien, med titeln "Direkt visualisering av elektriska fältinducerade strukturella dynamik i monoskiktsövergångsmetalldikalkogenider, "publicerades den 11 februari i tidningen ACS Nano . Dravid är motsvarande författare på tidningen. Chris Wolverton, Jerome B. Cohen professor i materialvetenskap och teknik, bidragit också till forskningen.

"Tyvärr, elektroniska enheter fungerar nu som ett slags "svart låda". Även om enhetsstatistik kan mätas, rörelsen av enstaka atomer inom de material som ansvarar för dessa egenskaper är okänd, vilket i hög grad begränsar ansträngningarna för att förbättra prestanda, "tillade Dravid, som fungerar som chef för Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization (NUANCE) Center. Forskningen möjliggör ett sätt att gå förbi denna begränsning med en ny förståelse för den strukturella dynamiken i spel inom 2-D-material som mottar elektrisk spänning.

Utifrån en tidigare studie där forskarna använde en nanoskala bildteknik för att observera fel i 2-D-material orsakade av värme, laget använde en högupplöst, atomskala avbildningsmetod som kallas elektronmikroskopi för att observera atoms rörelse i molybdendisulfid (MoS2), ett väl studerat material som ursprungligen användes som ett torrt smörjmedel i fetter och friktionsmaterial som nyligen fått intresse för sina elektroniska och optiska egenskaper. När forskarna applicerade en elektrisk ström på materialet, de observerade dess mycket rörliga svavelatomer rör sig kontinuerligt till lediga områden i det kristallina materialet, ett fenomen som de kallade, "atomdans".

Den rörelsen, i tur och ordning, fick MoS2:s korngränser - en naturlig defekt som skapades i utrymmet där två kristalliter i materialet möts - att separera, bildar smala kanaler för strömmen att ta sig igenom.

"När dessa spannmålsgränser skiljer sig åt, du har bara ett par smala kanaler kvar, orsakar densiteten hos den elektriska strömmen genom dessa kanaler att öka, "sa Akshay Murthy, en doktorsexamen student i Dravids grupp och huvudförfattare till studien. "Detta leder till högre effekttätheter och högre temperaturer i dessa regioner, vilket i slutändan leder till misslyckande i materialet. "

"Det är kraftfullt att kunna se exakt vad som händer i den här skalan, "Fortsätter Murthy." Med traditionell teknik, vi kan applicera ett elektriskt fält på ett prov och se förändringar i materialet, men vi kunde inte se vad som orsakade dessa förändringar. Om du inte vet orsaken, det är svårt att eliminera felmekanismer eller förhindra beteendet framöver. "

Med detta nya sätt att studera 2-D-material på atomnivå, teamet tror att forskare kan använda denna bildmetod för att syntetisera material som är mindre mottagliga för fel i elektroniska enheter. I minnesenheter, till exempel, forskare kunde observera hur regioner där information lagras utvecklas när elektrisk ström appliceras och anpassa hur dessa material är utformade för bättre prestanda.

Tekniken kan också hjälpa till att förbättra en mängd andra tekniker, från transistorer inom bioelektronik till ljusdioder (LED) i konsumentelektronik till solceller som består av solpaneler.

"Vi tror att den metod vi har utvecklat för att övervaka hur 2-D-material beter sig under dessa förhållanden kommer att hjälpa forskare att övervinna pågående utmaningar relaterade till enhetens stabilitet, "Murthy sa." Detta framsteg tar oss ett steg närmare att flytta denna teknik från labbet till marknaden. "