På senare år har ingenjörer har hittat sätt att modifiera egenskaperna hos vissa "tvådimensionella" material, som bara är en eller några få atomer tjocka, genom att stapla ihop två lager och rotera det ena något i förhållande till det andra. Detta skapar så kallade moirémönster, där små förskjutningar i atomernas inriktning mellan de två arken skapar mönster i större skala. Det förändrar också hur elektroner rör sig genom materialet, på potentiellt användbara sätt.

Men för praktiska tillämpningar, sådana tvådimensionella material måste någon gång ansluta till den vanliga världen av 3D-material. Ett internationellt team ledd av MIT-forskare har nu kommit på ett sätt att avbilda vad som händer vid dessa gränssnitt, ner till nivån för enskilda atomer, och att korrelera moirémönstren vid 2-D-3-D-gränsen med de resulterande förändringarna i materialets egenskaper.

De nya fynden beskrivs idag i tidskriften Naturkommunikation , i en artikel av MIT-studenterna Kate Reidy och Georgios Varnavides, professorer i materialvetenskap och teknik Frances Ross, Jim LeBeau, och Polina Anikeeva, och fem andra på MIT, Harvard Universitet, och University of Victoria i Kanada.

Par av tvådimensionella material som grafen eller hexagonal bornitrid kan uppvisa fantastiska variationer i deras beteende när de två arken bara är något vridna i förhållande till varandra. Det gör att de kycklingtrådsliknande atomgallren bildar moirémönster, de typer av udda band och blobbar som ibland dyker upp när du tar en bild av en utskriven bild, eller genom en fönsterskärm. När det gäller 2D-material, "det verkar som vad som helst, alla intressanta materialegenskaper du kan tänka dig, du kan på något sätt modulera eller ändra genom att vrida 2D-materialen i förhållande till varandra, säger Ross, som är Ellen Swallow Richards professor vid MIT.

Även om dessa 2D-parningar har väckt vetenskaplig uppmärksamhet över hela världen, hon säger, lite har varit känt om vad som händer där 2-D-material möter vanliga 3-D-fasta ämnen. "Vad fick oss att intressera oss för detta ämne, " säger Ross, var "vad händer när ett 2-D-material och ett 3-D-material sätts ihop. För det första, hur mäter du atompositionerna vid, och nära, gränssnittet? För det andra, vad är skillnaderna mellan ett 3-D-2-D och ett 2-D-2-D-gränssnitt? Och för det tredje, hur du kan kontrollera det - finns det ett sätt att medvetet designa gränssnittsstrukturen" för att producera önskade egenskaper?

Att ta reda på exakt vad som händer vid sådana 2-D-3-D-gränssnitt var en skrämmande utmaning eftersom elektronmikroskop producerar en bild av provet i projektion, och de är begränsade i sin förmåga att extrahera djup information som behövs för att analysera detaljer i gränssnittsstrukturen. Men teamet kom på en uppsättning algoritmer som gjorde det möjligt för dem att extrapolera tillbaka från bilder av provet, som ser ut som en uppsättning överlappande skuggor, för att ta reda på vilken konfiguration av staplade lager som skulle ge den där komplexa "skuggan".

Teamet använde sig av två unika transmissionselektronmikroskop vid MIT som möjliggör en kombination av kapacitet som är oöverträffad i världen. I ett av dessa instrument, ett mikroskop kopplas direkt till ett tillverkningssystem så att prover kan produceras på plats genom deponeringsprocesser och omedelbart matas rakt in i bildsystemet. Detta är en av endast ett fåtal sådana anläggningar över hela världen, som använder ett ultrahögt vakuumsystem som förhindrar även de minsta föroreningar från att kontaminera provet när 2-D-3-D-gränssnittet förbereds. Det andra instrumentet är ett sveptransmissionselektronmikroskop beläget i MIT:s nya forskningsanläggning, MIT.nano. Detta mikroskop har enastående stabilitet för högupplöst bildbehandling, samt flera avbildningslägen för att samla in information om provet.

Till skillnad från staplade 2D-material, vars orientering relativt enkelt kan ändras genom att helt enkelt plocka upp ett lager, vrider den lite, och lägger ner den igen, bindningarna som håller samman 3D-material är mycket starkare, så teamet var tvungen att utveckla nya sätt att erhålla anpassade lager. Att göra detta, de lade till 3D-materialet på 2D-materialet i ultrahögt vakuum, att välja tillväxtförhållanden där lagren självmonteras i en reproducerbar orientering med specifika grader av vridning. "Vi var tvungna att utveckla en struktur som skulle anpassas på ett visst sätt, " säger Reidy.

Efter att ha odlat materialen, de var sedan tvungna att ta reda på hur de skulle avslöja de olika skiktens atomära konfigurationer och orienteringar. Ett sveptransmissionselektronmikroskop producerar faktiskt mer information än vad som är uppenbart i en platt bild; faktiskt, varje punkt i bilden innehåller detaljer om vägarna längs vilka elektronerna anlände och avgick (diffraktionsprocessen), samt all energi som elektronerna förlorade i processen. Alla dessa data kan separeras så att informationen på alla punkter i en bild kan användas för att avkoda den faktiska solida strukturen. Denna process är endast möjlig för toppmoderna mikroskop, som det i MIT.nano, som genererar en sond av elektroner som är ovanligt smal och exakt.

Forskarna använde en kombination av tekniker som kallas 4-D STEM och integrerad differentiell faskontrast för att uppnå den processen att extrahera hela strukturen vid gränssnittet från bilden. Sedan, Varnavides säger, de frågade, "Nu när vi kan avbilda hela strukturen i gränssnittet, vad betyder detta för vår förståelse av egenskaperna hos detta gränssnitt?" Forskarna visade genom modellering att elektroniska egenskaper förväntas modifieras på ett sätt som bara kan förstås om hela strukturen av gränssnittet ingår i den fysikaliska teorin. "Vad vi hittade är att denna stapling verkligen, hur atomerna staplas utanför planet, modulerar de elektroniska egenskaperna och laddningstätheten, " han säger.

Ross säger att fynden kan hjälpa till att leda till förbättrade typer av korsningar i vissa mikrochips, till exempel. "Varje 2D-material som används i en enhet måste existera i 3D-världen, och så det måste ha en korsning på något sätt med tredimensionella material, " säger hon. Så, med denna bättre förståelse för dessa gränssnitt, och nya sätt att studera dem i handling, "vi är i god form för att göra strukturer med önskvärda egenskaper på ett slags planerat snarare än ad hoc sätt."

"Den metod som används har potential att från de förvärvade lokala diffraktionsmönstren beräkna moduleringen av det lokala elektronmomentet, " han säger, och tillägger att "metoden och forskningen som visas här har en enastående framtid och stort intresse för materialvetenskapssamhället."

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.