Abbildung struktureller Transformationen in 2D-Materialien

Siliziumbasierte Elektronik stößt an ihre physikalischen Grenzen und es werden neue Materialien benötigt, um mit den aktuellen technologischen Anforderungen Schritt zu halten. Zweidimensionale (2D) Materialien verfügen über vielfältige Eigenschaften, darunter Supraleitung und Magnetismus, und sind vielversprechende Kandidaten für den Einsatz in elektronischen Systemen wie Transistoren. Allerdings ist die genaue Kontrolle der Eigenschaften dieser Materialien außerordentlich schwierig.

Um zu verstehen, wie und warum 2D-Grenzflächen ihre Strukturen annehmen, haben Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign eine Methode entwickelt, um die thermisch induzierte Umordnung von 2D-Materialien Atom für Atom von verdreht zu visualisieren ausgerichtete Strukturen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM).

Sie beobachteten einen neuen und unerwarteten Mechanismus für diesen Prozess, bei dem ein neues Korn innerhalb einer Monoschicht gesät wurde, dessen Struktur durch die benachbarte Schicht vorgegeben wurde. Die Möglichkeit, die makroskopische Verdrehung zwischen den Schichten zu kontrollieren, ermöglicht eine bessere Kontrolle über die Eigenschaften des gesamten Systems.

Diese Forschungunter der Leitung des Materialwissenschafts- und Ingenieurprofessors Pinshane Huang und des Postdoktoranden Yichao Zhang, wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

„Es ist sehr wichtig, wie sich die Grenzflächen der Doppelschicht zueinander ausrichten und durch welchen Mechanismus sie sich in eine andere Konfiguration verwandeln“, sagt Zhang. „Es steuert die Eigenschaften des gesamten Doppelschichtsystems, was wiederum sowohl sein nanoskaliges als auch mikroskopisches Verhalten beeinflusst.“

Die Struktur und Eigenschaften von 2D-Multischichten sind oft sehr heterogen und variieren stark zwischen Proben und sogar innerhalb einer einzelnen Probe. Zwei Geräte mit nur wenigen Grad Verdrehung zwischen den Schichten könnten ein unterschiedliches Verhalten aufweisen. Es ist auch bekannt, dass sich 2D-Materialien unter äußeren Einflüssen wie Erwärmung, die während des Herstellungsprozesses elektronischer Geräte auftritt, neu konfigurieren.

„Normalerweise stellt man sich die beiden Schichten so vor, als hätte man zwei um 45° zueinander verdrehte Blätter Papier. Um die Schichten von verdreht in ausgerichtet zu bringen, dreht man einfach das gesamte Blatt Papier“, sagt Zhang. „Aber was wir tatsächlich herausgefunden haben, ist, dass es einen Kern hat – eine lokalisierte nanoskalige ausgerichtete Domäne – und diese Domäne wird immer größer. Unter den richtigen Bedingungen könnte diese ausgerichtete Domäne die gesamte Größe der Doppelschicht einnehmen.“

Während Forscher darüber spekuliert haben, dass dies passieren könnte, gab es keine direkte Visualisierung auf atomarer Ebene, die die Theorie beweisen oder widerlegen könnte. Zhang und die anderen Forscher konnten jedoch die Bewegung einzelner Atome direkt verfolgen und so das Wachstum der winzigen, ausgerichteten Domäne beobachten. Sie beobachteten auch, dass sich ausgerichtete Regionen bei relativ niedrigen Temperaturen, etwa 200 °C, im Bereich typischer Verarbeitungstemperaturen für 2D-Geräte bilden könnten.

Es gibt keine Kameras, die klein und schnell genug sind, um die atomare Dynamik zu erfassen. Wie konnte das Team dann diese Atom-für-Atom-Bewegung visualisieren? Die Lösung ist sehr einzigartig. Sie kapselten zunächst die verdrehte Doppelschicht in Graphen ein und bauten im Wesentlichen eine kleine Reaktionskammer um sie herum, um die Doppelschicht beim Erhitzen mit atomarer Auflösung zu betrachten. Die Einkapselung durch Graphen trägt dazu bei, die Atome der Doppelschicht an Ort und Stelle zu halten, sodass jede Strukturumwandlung beobachtet werden kann, anstatt dass das Gitter durch hochenergetische Elektronen des TEM zerstört wird.

Die eingekapselte Doppelschicht wurde dann auf einen Chip gelegt, der schnell erhitzt und abgekühlt werden konnte. Um die schnelle atomare Dynamik zu erfassen, wurde die Probe halbsekündigen Wärmeimpulsen zwischen 100 und 1000 °C unterzogen. Nach jedem Puls untersuchte das Team mithilfe von TEM, wo sich die Atome befanden, und wiederholte dann den Vorgang.

„Man kann dem System tatsächlich dabei zusehen, wie es sich verändert, wenn die Atome sich von der ursprünglichen Konfiguration in die energetisch günstigste Konfiguration, in der sie sein wollen, einpendeln“, erklärt Huang. „Das kann uns helfen, sowohl die ursprüngliche Struktur bei ihrer Herstellung als auch ihre Entwicklung durch Hitze zu verstehen.“

Wenn man versteht, wie die Neuordnung erfolgt, kann man die Grenzflächenausrichtung auf der Nanoskala optimieren. „Es ist unmöglich zu unterstreichen, wie begeistert die Leute von dieser Einstellbarkeit sind“, sagt Huang.

„Die makroskopische Verdrehung zwischen den beiden Schichten ist ein wirklich wichtiger Parameter, denn wenn man eine Schicht gegeneinander dreht, kann man tatsächlich die Eigenschaften des gesamten Systems ändern. Wenn man beispielsweise das 2D-Material Graphen in einem bestimmten Winkel dreht, wird es.“ Bei einigen Materialien ändert sich die Bandlücke, wodurch sich die Farbe des von ihnen absorbierten Lichts und die von ihnen emittierte Lichtenergie ändert. All diese Dinge ändern Sie, indem Sie die Ausrichtung der Atome zwischen den Schichten ändern.