Termen molybdendisulfid kan låta bekant för vissa bilförare och mekaniker. Inte konstigt:ämnet, som upptäcktes av den amerikanske kemisten Alfred Sonntag på 1940-talet, används fortfarande idag som ett högpresterande smörjmedel i motorer och turbiner, men också för bultar och skruvar.
Detta beror på den speciella kemiska strukturen hos denna fasta substans, vars individuella materialskikt är lätta att förskjuta i förhållande till varandra. Däremot molybdendisulfid (kemiskt MoS2 ) smörjer inte bara bra, utan det är också möjligt att exfoliera ett enda atomlager av detta material eller odla det syntetiskt i waferskala.
Den kontrollerade isoleringen av en MoS2 monolager uppnåddes bara för några år sedan, men anses redan vara ett materialvetenskapligt genombrott med enorm teknisk potential. Empa-teamet vill nu arbeta med just denna klass av material.
Den skiktade strukturen av enskilda atomlager gör detta material intressant för fysiker som letar efter basmaterial för nästa generations nanodatorer. MoS2 – och dess kemiska släktingar som kallas övergångsmetalldikalkogenider (TMD) – är en av de främsta "stjärnskotten" i en rad tvådimensionella (2D) material.
TMD:er är 2D-halvledare och har ett direkt bandgap, men bara som ett enda lager, vilket gör dem särskilt attraktiva för ultimata miniatyriserade integrerade kretsar eller optiska detektorer. De robusta kvantmekaniska egenskaperna hos 2D-material undersöks också intensivt för användning inom kvantmetrologi, kvantkryptografi och kvantinformationsteknologi.
Men inte bara basmaterialet spelar roll, utan i synnerhet också förmågan att hantera defekter där inne:Analogt med kemisk dopning av "klassiska" halvledare i integrerade kretsar eller främmande joner i halvledarlasrar, är atomdefekter "som grädden på tårta", särskilt i 2D-material, sa Schuler.
Empa-forskaren vill karakterisera atomära defekter i TMD med hjälp av en ny typ av instrument och undersöka deras lämplighet som så kallade kvantemitter. Kvantsändare bildar gränssnittet mellan två världar:elektronspin – den kvantmekaniska analogen till elektronvridmomentet – som är lämplig för bearbetning av kvantinformation, och fotoner, det vill säga ljuspartiklar, som kan användas för att överföra kvantinformation över långa avstånd utan förlust. .
2D-material erbjuder den stora fördelen att de relevanta energiskalorna är mycket större än för 3D-material, så det förväntas att tekniken kan användas ovanför kryogena miljöer – helst även vid rumstemperatur. Dessutom måste defekterna placeras på ytan av 2D-materialet, vilket gör dem mycket lättare att hitta och manipulera.
Men först, defekterna i den tvådimensionella MoS2 skikt måste detekteras och deras elektroniska och optiska egenskaper måste undersökas noggrant. Exakt betyder i detta fall att platsen som undersöks utforskas med en noggrannhet av en ångström. Som jämförelse:1 ångström är för en meter vad 4 cm är för avståndet mellan jorden och månen (400 000 km).
Och ögonblicksbilden som används för att registrera den elektroniska exciteringen av kvantpunkten måste vara exakt ner till en pikosekund (ps) – 1 ps är lika litet av en bråkdel av en sekund som två dagar jämfört med planeten jordens ålder (5 miljarder år) ).
Dessa ultrakorta och atomärt exakta mätningar ger sedan en mycket detaljerad bild av vilka dynamiska processer som sker i atomär skala och vilka faktorer som påverkar dessa processer.
En apparat gjord av två halvor
Apparaten som experimenten kommer att ske i finns redan i ett rum i källaren i Empas laboratoriebyggnad i Dübendorf — där golvet är som mest stabilt. "Vi har investerat mer än ett och ett halvt år i förberedelse- och utvecklingsarbete för att slutföra vår experimentuppställning", förklarar Bruno Schuler.
"I oktober 2022 kopplade vi ihop de två halvorna av vårt system och kunde för första gången mäta ljusvågsinducerade strömmar. Principen fungerar. En enorm milstolpe i projektet."
De två halvorna som Schulers team nu ska arbeta med är å ena sidan ett scanning tunneling microscope (STM). En ultratunn spets används för att skanna provets atomyta. Forskarna kommer att placera spetsen på en defekt plats, det vill säga en ledig plats eller en "främmande" atom i strukturen.
Då kommer den andra halvan av systemet, som Schulers kollega Jonas Allerbeck har satt upp, in i bilden:En 50-watts infraröd laser skickar ultrakorta laserpulser till en olinjär litiumniobatkristall. Detta genererar en fasstabil elektromagnetisk puls i terahertz-frekvensområdet. Denna puls är bara en enda ljussvängning lång och kan delas upp med speciell optik i ett par pump- och sondpulser – som båda följer varandra med variabel fördröjning och kan mäta elektrondynamiken på ett stroboskopiskt sätt.
De två pulserna skickas sedan in i STM:n och riktas till sondspetsen. Den första pulsen lösgör en elektron från spetsen, som "hoppar" till defektplatsen för den tvådimensionella MoS2 lager och exciterar elektroner där. "Detta kan vara antingen en elektrisk laddning, en spinnexcitation, en gittervibration eller ett elektron-hålspar som vi skapar där," förklarar Schuler.
"Med den andra pulsen tittar vi sedan några pikosekunder senare på hur vår defektplats svarade på excitationspulsen och genom det kan vi studera dekoherensprocesser och energiöverföring till substratet."
På så sätt är Schuler en av få specialister i världen som kombinerar pikosekund-korttidsupplösning med en metod som kan detektera enskilda atomer. Teamet använder sig av den inneboende lokaliseringen av tillstånd i 2D-materialsystemet för att hålla excitationer på ett ställe tillräckligt länge för att detekteras.
"Det ultrasnabba ljusvågsavsökningssondmikroskopet möjliggör fascinerande nya insikter om kvantmekaniska processer på atomär skala, och 2D-material är en unik materialplattform för att skapa dessa tillstånd på ett kontrollerat sätt", säger Empa-forskaren.
Tillhandahålls av Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology
