Kiselbaserad elektronik närmar sig sina fysiska begränsningar och nya material behövs för att hålla jämna steg med dagens tekniska krav. Tvådimensionella (2D) material har ett rikt utbud av egenskaper, inklusive supraledning och magnetism, och är lovande kandidater för användning i elektroniska system, såsom transistorer. Det är dock utomordentligt svårt att exakt kontrollera egenskaperna hos dessa material.

I ett försök att förstå hur och varför 2D-gränssnitt tar på sig de strukturer de gör, har forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign utvecklat en metod för att visualisera den termiskt inducerade omarrangeringen av 2D-material, atom-för-atom, från vridet till inriktade strukturer med användning av transmissionselektronmikroskopi (TEM).

De observerade en ny och oväntad mekanism för denna process där ett nytt korn såddes i ett monolager, vars struktur var mall av det intilliggande lagret. Att kunna kontrollera den makroskopiska vridningen mellan lagren möjliggör mer kontroll över egenskaperna för hela systemet.

Denna forskning, ledd av materialvetenskap och ingenjörsprofessor Pinshane Huang och postdoktorn Yichao Zhang, publicerades nyligen i tidskriften Science Advances .

"Hur gränssnitten för dubbelskiktet är i linje med varandra och genom vilken mekanism de omvandlas till en annan konfiguration är mycket viktigt", säger Zhang. "Det kontrollerar egenskaperna hos hela dubbelskiktssystemet, vilket i sin tur påverkar både dess nanoskala och mikroskopiska beteende."

Strukturen och egenskaperna hos 2D-multiskikt är ofta mycket heterogena och varierar kraftigt mellan prover och även inom ett enskilt prov. Två enheter med bara några graders vridning mellan lagren kan ha olika beteende. 2D-material är också kända för att omkonfigureras under externa stimuli såsom uppvärmning, som sker under tillverkningsprocessen av elektroniska enheter.

"Människor brukar tänka på de två lagren som att ha två pappersark vridna 45° mot varandra. För att få lagren att gå från vridna till inriktade, skulle du bara rotera hela papperet", säger Zhang. "Men vad vi faktiskt upptäckte är att den har en kärna - en lokaliserad domän i nanoskala - och den här domänen växer sig större och större i storlek. Givet de korrekta förhållandena kan denna justerade domän ta över hela dubbelskiktets storlek."

Medan forskare har spekulerat i att detta kan hända, har det inte förekommit någon direkt visualisering på atomär skala som bevisar eller motbevisar teorin. Zhang och de andra forskarna kunde dock direkt spåra enskilda atomers rörelser för att se den lilla, anpassade domänen växa. De observerade också att justerade regioner kunde bildas vid relativt låga temperaturer, ~200°C, inom området för typiska bearbetningstemperaturer för 2D-enheter.

Det finns inte kameror tillräckligt små och snabba för att fånga atomär dynamik. Hur kunde teamet då visualisera denna atom-för-atom-rörelse? Lösningen är väldigt unik. De kapslade först in det tvinnade dubbelskiktet i grafen, och byggde i princip en liten reaktionskammare runt det, för att titta på dubbelskiktet i atomär upplösning när det värmdes upp. Inkapsling med grafen hjälper till att hålla atomerna i dubbelskiktet på plats så att alla strukturella transformationer kan observeras snarare än att gittret förstörs av högenergielektroner i TEM.

Det inkapslade dubbelskiktet sattes sedan på ett chip som kunde värmas och kylas snabbt. För att fånga den snabba atomdynamiken genomgick provet värmepulser på en halv sekund mellan 100–1000°C. Efter varje puls tittade teamet på var atomerna använde TEM och upprepade sedan processen.

"Du kan faktiskt se systemet när det förändras, när atomerna sätter sig i från vilken konfiguration de än sattes i från början till den konfiguration som är energiskt gynnsam, som de vill vara i," förklarar Huang. "Det kan hjälpa oss att förstå både den ursprungliga strukturen när den tillverkas och hur den utvecklas med värme."

Att förstå hur omarrangering sker kan hjälpa till att ställa in gränssnittsinriktningen på nanoskala. "Det är omöjligt att understryka hur exalterade människor är över den här inställningen", säger Huang.

"Den makroskopiska vridningen mellan de två lagren är en väldigt viktig parameter eftersom när du roterar det ena på det andra kan du faktiskt ändra egenskaperna för hela systemet. Till exempel, om du roterar 2D-materialet grafen till en specifik vinkel, blir det För vissa material, om du roterar dem, ändrar du bandgapet som ändrar färgen på ljus det absorberar och vilken ljusenergi det avger. Alla dessa saker ändrar du genom att ändra orienteringen av atomer mellan lagren>

Mer information: Yichao Zhang et al, Atom-för-atom-avbildning av moiré-transformationer i 2D-övergångsmetalldikalkogenider, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk1874

Journalinformation: Vetenskapens framsteg

Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering