Aleksandra Radenovic, Martina Lihter och Miao Zhang. Kredit:Alain Herzog 2021 EPFL
Enskiktskristaller, kallas ofta 2D-kristaller eller 2D-material, besitter den unika egenskapen att ha ett enda lager med regelbunden atomstruktur. Och ju mer regelbunden strukturen är, desto högre kvalitet är kristallen. I vissa fall, atomstrukturen upprepas till perfektion, men för det mesta – som vanligtvis är fallet i naturen – finns det några brister.
Molybdendisulfid (MoS 2 ), en svart kristall som ser ut som grafit, är ett exempel på en kristall som har en sådan skiktad struktur där defekter kan förekomma. "Atomerna i monoskiktet MoS 2 är ordnade i tre lager, som en smörgås - ett bottenskikt av svavelatomer, och sedan ett lager av metallatomer, och slutligen ytterligare ett lager av svavelatomer, " säger Aleksandra Radenovic, chefen för Laboratory of Nanoscale Biology vid EPFL:s tekniska högskola. "Men ibland, några svavelatomer saknas, vilket leder till vakansdefekter i kristallerna. Sådana defekter kan också vara fördelaktiga. Till exempel, de katalyserar vattenuppdelningsreaktionen för att producera väte eller fungerar som målplatser i detektorer av biomolekyler. Det är därför vi är intresserade av dessa defekter, särskilt i deras beteende i vätska."
Radenovic, tillsammans med postdoc Miao Zhang, Martina Lihter, tidigare Ph.D. studerande, och samarbetspartners, studerade MoS 2 prover och utvecklat en metod för att kartlägga den här typen av defekter i vätska, leder till en bättre förståelse av materialets egenskaper. I elektronmikroskopi, som möjliggör direkt visualisering av defekter med superb upplösning på grund av användningen av högenergielektronstråle, vakuummiljö krävs. "Mätningar i vätskan är fortfarande utmanande, " säger Radenovic. För att kunna visualisera defekterna i vätska, LBEN-teamet anpassade den optiska mikroskopiavbildningsmodaliteten som kallas Point Accumulation in Nanoscale Topography, MÅLA. Verket har nyligen publicerats i ACS Nano .
Belyser defekter
Eftersom monoskiktet MoS 2 kristall är bara tre lager av atomer tunna, det är nästan genomskinligt, vilket gör det möjligt för forskarna att observera det genom ett tunt täckglas i ett inverterat mikroskop. "Vi placerade vårt prov i en vattenlösning för att studera defekternas aktivitet i den flytande miljön, säger Lihter.
Forskarna använde sedan fluorescerande tiolsonder som binder specifikt till svavelvakanserna. "Genom att rikta en laserstråle på provet, vi kan direkt se en enda sond som band till en defekt och exakt lokalisera dess position, " säger Zhang. Det visar sig att sådan bindning är reversibel under vissa förhållanden. Genom att avbilda en sådan slumpmässig övergående bindning vid defekter under en tidsperiod, som en reminiscens av PAINT-strategin, forskarna kunde identifiera och räkna kristallens defekter och kvantifiera dess ofullkomligheter, allt i relativt stor skala. "På det här sättet, vi kunde också observera hur defekterna interagerade med deras miljö, säger Zhang.
Ändring av ett material egenskaper
Svavelvakanserna har till följd att materialets egenskaper förändras. MoS 2 är ett halvledande material som används för att tillverka chips för elektroniska enheter. Experimenten som utfördes av Radenovics team syftade därför inte bara till att kartlägga defekter, men också att studera materialets beteende för att läka defekterna. "En oregelbunden atomstruktur ändrar hur elektroner rör sig inuti ett material och materialets bärarrörlighet, " säger Radenovic. "Det förändrar följaktligen dess egenskaper."
Medan forskarna fokuserade på MoS 2 för denna studie, deras metod är tillämpbar på andra material i samma familj (övergångsmetalldikalkogenid) som har en sandwich-atomstruktur.
