«В полупроводниковой промышленности, например, дефекты важны, потому что вы можете контролировать свойства с помощью дефектов», — сказал Маурисио Терронес, профессор физики, материаловедения, инженерии и химии Penn State. «Это называется инженерией дефектов. Промышленность знает, как контролировать дефекты и какие типы подходят для устройств».Чтобы по-настоящему понять, что происходит в 2D-материале, таком как дисульфид вольфрама, который имеет один слой вольфрама толщиной в один атом, зажатый между двумя атомными слоями серы, потребуется мощный электронный микроскоп, способный видеть отдельные атомы и дырки, называются вакансиями, в которых отсутствуют атомы.«Преимущество просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) заключается в том, что вы получаете изображение и можете напрямую видеть, что происходит — вы получаете прямые доказательства», — сказал Бернд Кабиус, научный сотрудник Исследовательского института материалов Пенсильванского университета, эксперт по ТЕМ. и соавтор статьи, опубликованной 28 апреля в онлайн-журнале Science Advances.
По словам Кабиуса, недостатками являются повышенная вероятность повреждения хрупкого 2D-материала, сложная подготовка образца и необходимое время — целый день инструментального времени для визуализации одного образца и неделя или более для интерпретации. результаты, достижения. По этим и другим причинам исследователи хотели бы объединить ПЭМ с другим методом просмотра образца, который является более простым и быстрым.Техника, разработанная Терронесом и его командой, использует оптический метод, флуоресцентную микроскопию, в которой лазер с определенной длиной волны освещает образец, а возбужденные электроны, переведенные на более высокий уровень энергии, излучают фотон с большей длиной волны, когда электрон опускается на более низкий энергетический уровень.
Длину волны или цвет света можно измерить с помощью спектроскопии и получить информацию о типе и местонахождении дефекта на образце. Эти данные отображаются в виде пиков на графике, которые затем команда коррелирует с визуальным подтверждением с помощью TEM. Теоретические расчеты также помогли подтвердить оптические результаты.
Необходимый этап процесса требует помещения образца в держатель образца с регулируемой температурой или предметного столика и понижения температуры до 77 кельвинов, почти 200 градусов по Цельсию ниже нуля. При этой температуре электронно-дырочные пары, которые производят флуоресценцию, связаны с дефектом — в случае этой работы группа вакансий серы в верхнем слое сэндвича — и излучают сигнал сильнее, чем исходные области материал.«Впервые мы установили прямую зависимость между оптическим откликом и количеством атомных дефектов в двумерных материалах», — сказал Виктор Карозо, бывший научный сотрудник лаборатории Терронеса и первый автор работы.
Терронес добавил: «Для полупроводниковой промышленности это быстрое измерение, оптический неразрушающий метод оценки дефектов в 2D-системах. Важно то, что мы смогли сопоставить наш оптический метод с ПЭМ, а также с атомистическим моделированием. Я думаю, что это метод может быть очень полезным при установлении протокола для определения характеристик двумерных кристаллических материалов ».В этом контексте соавтор Юаньси Ван, постдокторский исследователь в 2DLM и теоретик, добавил: «Наши расчеты показывают, что электроны, захваченные вакансиями, излучают свет на длинах волн, отличных от длины волны излучения из бездефектных областей. длины волн могут легко идентифицировать вакансии в образцах ».
Винсент Креспи, заслуженный профессор физики, материаловедения, инженерии и химии Пенсильванского университета, сказал: «Мы можем не только установить эмпирическую корреляцию между наличием определенных дефектов и измененным световым излучением, но и выявить причину этой корреляции, сначала -принципы расчетов ".Приложения устройств, которые могут быть улучшены с помощью этой работы, включают мембраны с избирательными размерами пор для удаления соли из воды или для секвенирования ДНК, определение газа, когда молекулы газа связываются с конкретными вакансиями, и легирование 2D-материалов, которое представляет собой добавление посторонних атомов для увеличения характеристики.