Le microscope de pointe aide à révéler des moyens de contrôler les propriétés électroniques des matériaux atomiquement minces.
Ces dernières années, les ingénieurs ont trouvé des moyens de modifier les propriétés de certains matériaux «bidimensionnels», qui n'ont que des atomes ou quelques atomes, en empilant deux couches ensemble et en tournant légèrement par rapport à l'autre. Cela crée ce que l'on appelle les motifs Moiré, où de minuscules changements dans l'alignement des atomes entre les deux feuilles créent des motifs à plus grande échelle. Il modifie également la façon dont les électrons se déplacent dans le matériau, de manière potentiellement utile.
Mais pour les applications pratiques, ces matériaux bidimensionnels doivent à un moment donné se connecter avec le monde ordinaire des matériaux 3D. Une équipe internationale dirigée parAVECLes chercheurs ont maintenant trouvé un moyen d'imaginer ce qui se passe à ces interfaces, jusqu'au niveau des atomes individuels et de corréler les modèles Moiré à la frontière 2D-3D avec les changements résultants dans les propriétés du matériau.
Les nouvelles découvertes sont décrites dans le journalCommunications de la nature, dans un article des étudiants diplômés du MIT, Kate Reidy et Georgios Varnavides, professeurs de science des matériaux et d'ingénierie Frances Ross, Jim Lebeau et Polina Anikeeva, et cinq autres au MIT, à l'Université Harvard et à l'Université de Victoria au Canada.
Exploration des alignements atomiques avec une microscopie avancée
Des paires de matériaux bidimensionnels tels quegraphèneOu le nitrure de bore hexagonal peut présenter des variations incroyables dans leur comportement lorsque les deux feuilles sont juste légèrement tordues les uns par rapport aux autres. Cela fait que les réseaux atomiques de type poulet forment des motifs Moiré, les types de bandes et de taches étranges qui apparaissent parfois lorsqu'ils prennent une image d'une image imprimée ou via un écran de fenêtre. Dans le cas des matériaux 2D, «il semble que tout, chaque propriété de matériaux intéressants auxquels vous pouvez penser, vous pouvez en quelque sorte moduler ou changer en tordant les matériaux 2D les uns par rapport aux autres», explique Ross, qui est le professeur d'Ellen Swallow Richards au MIT.
Bien que ces appariements 2D aient attiré l'attention scientifique dans le monde entier, dit-elle, on ne sait peu de choses sur ce qui se passe où les matériaux 2D rencontrent des solides 3D réguliers. «Qu'est-ce qui nous a intéressés à ce sujet», dit Ross, «que se passe-t-il lorsqu'un matériau 2D et un matériau 3D sont assemblés.
Déterminer exactement ce qui se passe dans de telles interfaces 2D-3D était un défi intimidant car les microscopes électroniques produisent une image de l'échantillon en projection, et ils sont limités dans leur capacité à extraire les informations de profondeur nécessaires pour analyser les détails de la structure d'interface. Mais l'équipe a trouvé un ensemble d'algorithmes qui leur ont permis d'extrapoler des images de l'échantillon, qui ressemblent un peu à un ensemble d'ombres qui se chevauchent, pour déterminer quelle configuration de couches empilées donnerait cette «ombre» complexe.
L'équipe a utilisé deux microscopes électroniques à transmission uniques au MIT qui permettent une combinaison de capacités qui sont inégalées dans le monde. Dans l'un de ces instruments, un microscope est connecté directement à un système de fabrication afin que les échantillons puissent être produits sur place par des processus de dépôt et immédiatement nourris dans le système d'imagerie. Il s'agit de l'une des rares installations de ce type dans le monde, qui utilisent un système d'aspirateur ultra-haute qui empêche même les plus petites impuretés de contaminer l'échantillon à mesure que l'interface 2D-3D est en cours de préparation. Le deuxième instrument est un microscope électronique à transmission à balayage situé dans la nouvelle installation de recherche du MIT, MIT.NANO. Ce microscope a une stabilité exceptionnelle pour l'imagerie à haute résolution, ainsi que les modes d'imagerie multiples pour collecter des informations sur l'échantillon.
Fabrication innovante dans des conditions d'aspiration ultra-haute
Contrairement aux matériaux 2D empilés, dont les orientations peuvent être relativement facilement modifiées en ramassant simplement une couche, en la tordant légèrement et en la plaçant à nouveau, les liaisons contenant des matériaux 3D ensemble sont beaucoup plus fortes, donc l'équipe a dû développer de nouvelles façons d'obtenir des couches alignées. Pour ce faire, ils ont ajouté le matériau 3D sur le matériau 2D dans le vide ultra-haute, en choisissant des conditions de croissance où les couches se sont auto-assemblées dans une orientation reproductible avec des degrés de torsion spécifiques. «Nous avons dû développer une structure qui allait être alignée d'une certaine manière», explique Reidy.
Ayant développé les matériaux, ils ont ensuite dû comprendre comment révéler les configurations et orientations atomiques des différentes couches. Un microscope électronique à transmission à balayage produit en fait plus d'informations que ce qui est apparent dans une image plate; En fait, chaque point de l'image contient des détails sur les chemins le long desquels les électrons sont arrivés et sont partis (le processus de diffraction), ainsi que toute énergie que les électrons ont perdu dans le processus. Toutes ces données peuvent être séparées afin que les informations à tous les points d'une image puissent être utilisées pour décoder la structure solide réelle. Ce processus n'est possible que pour les microscopes de pointe, tels que celui de MIT.Nano, qui génère une sonde d'électrons qui est inhabituellement étroite et précis.
Les chercheurs ont utilisé une combinaison de techniques appelées tige 4D et un contraste de phase différentielle intégré pour atteindre ce processus d'extraction de la structure complète à l'interface de l'image. Ensuite, dit Varnavides, ils ont demandé: «Maintenant que nous pouvons imaginer la structure complète à l'interface, qu'est-ce que cela signifie pour notre compréhension des propriétés de cette interface?» Les chercheurs ont montré par la modélisation que les propriétés électroniques devraient être modifiées d'une manière qui ne peut être comprise que si la structure complète de l'interface est incluse dans la théorie physique. "Ce que nous avons constaté, c'est qu'en effet, cette empilement, la façon dont les atomes sont empilés hors du plan, module les propriétés électroniques et de densité de charge", dit-il.
Ross dit que les résultats pourraient aider à conduire à de meilleurs types de jonctions dans certaines puces, par exemple. «Tous les matériaux 2D utilisés dans un appareil doivent exister dans le monde 3D, et il doit donc avoir une jonction avec des matériaux tridimensionnels», dit-elle. Ainsi, avec cette meilleure compréhension de ces interfaces et de nouvelles façons de les étudier en action, «Nous sommes en bonne forme pour fabriquer des structures avec des propriétés souhaitables d'une sorte de manière planifiée plutôt que ad hoc.»
Une nouvelle ère pour l'ingénierie Moiré et les matériaux quantiques
«Le présent travail ouvre un domaine en soi, permettant l'application de cette méthodologie à la ligne de recherche croissante de l'ingénierie Moiré, très importante dans des domaines tels que la physique quantique ou même en catalyse», explique Jordi Arbiol de l'Institut catalan de nanoscience et de nanotechnologie en Espagne, qui n'était pas associé à ce travail.
«La méthodologie utilisée a le potentiel de calculer à partir des modèles de diffraction locaux acquis La modulation de l'élan électronique local», dit-il, ajoutant que «la méthodologie et la recherche présentées ici ont un futur exceptionnel et un intérêt élevé pour la communauté des sciences des matériaux».
Référence: «Imagerie directe et modulation de la structure électronique des superlattices Moiré à l'interface 2D / 3D» par Kate Reidy, Georgios Varnavides, Joachim Dahl Thomsen, Abinash Kumar, Thang Pham, Arthur M. Blackburn, Polina Anikeeva, Prineha Narang, James M. Lebeau et Frances M. Ross, 26 février 2021,Communications de la nature.
Deux: 10.1038 / S41467-021-21363-5
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