Ett UCLA-ledt forskargrupp har i oöverträffade detaljer tagit fram experimentella tredimensionella kartor över atomerna i ett så kallat 2-D-material-materia som verkligen inte är tvådimensionell men är nästan platt eftersom den är arrangerad i extremt tunna lager, inte mer än några atomer tjocka.

Även om 2-D-materialbaserad teknik ännu inte har använts i stor utsträckning i kommersiella applikationer, materialen har varit föremål för stort forskningsintresse. I framtiden, de kan vara grunden för halvledare i allt mindre elektronik, kvantdatorkomponenter, mer effektiva batterier, eller filter som kan utvinna sötvatten från saltvatten.

Löftet om 2-D-material kommer från vissa egenskaper som skiljer sig från hur samma element eller föreningar beter sig när de förekommer i större mängder. Dessa unika egenskaper påverkas av kvanteffekter - fenomen som förekommer i extremt små skalor som är fundamentalt annorlunda än den klassiska fysiken som ses på större skalor. Till exempel, när kol är arrangerat i ett atomiskt tunt lager för att bilda 2-D grafen, det är starkare än stål, leder värme bättre än något annat känt material, och har nästan noll elektrisk motstånd.

Men att använda 2-D-material i verkliga applikationer skulle kräva en större förståelse för deras egenskaper, och möjligheten att kontrollera dessa egenskaper. Den nya studien, som publicerades i Naturmaterial , kan vara ett steg framåt i det arbetet.

Forskarna visade att deras 3-D-kartor över materialets atomstruktur är exakta med pikometerskalan-mätt i en biljondelar av en meter. De använde sina mätningar för att kvantifiera defekter i 2-D-materialet, som kan påverka deras elektroniska egenskaper, samt att noggrant bedöma dessa elektroniska egenskaper.

"Det unika med denna forskning är att vi bestämmer koordinaterna för enskilda atomer i tre dimensioner utan att använda några redan existerande modeller, "sade motsvarande författare Jianwei" John "Miao, en UCLA -professor i fysik och astronomi. "Och vår metod kan användas för alla typer av 2-D-material."

Miao är biträdande direktör för STROBE National Science Foundation Science and Technology Center och medlem i California NanoSystems Institute vid UCLA. Hans UCLA -laboratorium samarbetade i studien med forskare från Harvard University, Oak Ridge National Laboratory och Rice University.

Forskarna undersökte ett enda lager molybdendisulfid, ett ofta studerat 2-D-material. I bulk, denna förening används som smörjmedel. Som ett 2-D-material, den har elektroniska egenskaper som tyder på att den kan användas i nästa generations halvledarelektronik. Proverna som undersöktes "dopades" med spår av rhenium, en metall som tillför reservelektroner vid byte av molybden. Den typen av dopning används ofta för att producera komponenter för datorer och elektronik eftersom det hjälper till att underlätta flödet av elektroner i halvledarenheter.

För att analysera 2-D-materialet, forskarna använde en ny teknik som de utvecklat baserat på skanning av överföringselektronmikroskopi, som producerar bilder genom att mäta spridda elektroner strålade genom tunna prover. Miaos team utarbetade en teknik som kallas skanning atomär elektron tomografi, som producerar 3D-bilder genom att ta ett prov i flera vinklar när det roterar.

Forskarna var tvungna att undvika en stor utmaning för att producera bilderna:2-D-material kan skadas av för mycket exponering för elektroner. Så för varje prov, forskarna rekonstruerade bilder sektion för sektion och sedan sy ihop dem för att bilda en enda 3D-bild-så att de kunde använda färre skanningar och därmed en lägre dos av elektroner än om de hade avbildat hela provet på en gång.

De två proverna mätte var och en 6 nanometer med 6 nanometer, och var och en av de mindre sektionerna mättes ca 1 nanometer med 1 nanometer. (En nanometer är en miljarddels meter.)

De resulterande bilderna gjorde det möjligt för forskarna att inspektera provernas 3D-struktur med en precision på 4 pikometer vid molybdenatomer-26 gånger mindre än diametern på en väteatom. Den precisionen gjorde att de kunde mäta krusningar, belastning som förvränger materialets form, och variationer i storleken på kemiska bindningar, alla förändringar orsakade av det tillförda renium-vilket markerar den mest exakta mätningen av dessa egenskaper någonsin i ett 2-D-material.

"Om vi ​​bara antar att introduktionen av dopningsmedlet är ett enkelt substitution, vi skulle inte förvänta oss stora påfrestningar, "sa Xuezeng Tian, tidningens medförste författare och en UCLA-postdoktor. "Men det vi har observerat är mer komplicerat än tidigare experiment har visat."

Forskarna fann att de största förändringarna inträffade i den minsta dimensionen av 2-D-materialet, dess tre atomer höga höjd. Det tog så lite som en enda rheniumatom att införa en sådan lokal distorsion.

Beväpnad med information om materialets 3D-koordinater, forskare vid Harvard under ledning av professor Prineha Narang utförde kvantmekaniska beräkningar av materialets elektroniska egenskaper.

"Dessa experiment i atomskala har gett oss en ny lins för hur 2-D-material beter sig och hur de ska behandlas i beräkningar, och de kan vara en spelväxlare för ny kvantteknik, Sa Narang.

Utan tillgång till den typ av mätningar som genereras i studien, sådana kvantmekaniska beräkningar har konventionellt baserats på ett teoretiskt modellsystem som förväntas vid en temperatur på absolut noll.

Studien indikerade att de uppmätta 3D-koordinaterna ledde till mer exakta beräkningar av 2-D-materialets elektroniska egenskaper.

"Vårt arbete kan omvandla kvantmekaniska beräkningar genom att använda experimentella 3-D atomkoordinater som direkt input, "sa UCLA postdoktor Dennis Kim, en av författarna till studien. "Detta tillvägagångssätt bör göra det möjligt för materialingenjörer att bättre förutsäga och upptäcka nya fysiska, kemiska och elektroniska egenskaper hos 2-D-material på en atomnivå. "