Abbildung struktureller Transformationen in 2D-Materialien

Siliziumbasierte Elektronik stößt an ihre physikalischen Grenzen und es werden neue Materialien benötigt, um den aktuellen technologischen Anforderungen gerecht zu werden. Zweidimensionale (2D) Materialien besitzen ein breites Spektrum an Eigenschaften, darunter Supraleitung und Magnetismus, und sind vielversprechende Kandidaten für den Einsatz in elektronischen Systemen wie Transistoren. Allerdings ist es äußerst schwierig, die Eigenschaften dieser Materialien genau zu steuern.

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

Sie beobachteten einen neuen und unerwarteten Mechanismus für diesen Prozess, bei dem ein neues Korn in eine Monoschicht gesät wurde, deren Struktur der benachbarten Schicht nachempfunden war. Die Möglichkeit, die makroskopische Verdrehung zwischen Schichten zu kontrollieren, ermöglicht eine bessere Kontrolle über die Eigenschaften des gesamten Systems.

Diese von Materialwissenschafts- und Ingenieurprofessor Pinshane Huang und dem Postdoktoranden Yichao Zhang geleitete Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftler machen 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 sich sowohl auf sein Verhalten auf der Nanoskala als auch auf der Mikroskala auswirkt.“

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

„Menschen stellen sich die beiden Schichten normalerweise als zwei um 45° zueinander verdrehte Blätter Papier vor. Um die Schichten von verdreht in ausgerichtet zu ändern, drehen Sie einfach das gesamte Blatt Papier“, erklärt Zhang. „Aber was wir tatsächlich herausgefunden haben, ist, dass es einen Kern hat – eine ausgerichtete Domäne, die im Nanomaßstab lokalisiert ist – und diese Domäne wird immer größer. Unter den richtigen Bedingungen könnte diese ausgerichtete Domäne die volle Größe der Doppelschicht unterstützen.“

Obwohl Forscher die Hypothese aufgestellt haben, dass dies passieren könnte, hat keine direkte Visualisierung auf atomarer Ebene diese Theorie bewiesen oder widerlegt. Zhang und die anderen Forscher konnten jedoch die Bewegung einzelner Atome direkt verfolgen und so das Wachstum der kleinen ausgerichteten Domäne beobachten. Sie beobachteten auch, dass sich ausgerichtete Regionen bei relativ niedrigen Temperaturen, etwa 200 °C, innerhalb des Bereichs typischer Verarbeitungstemperaturen für 2D-Geräte bilden könnten.

Es gibt keine Kameras, die klein und schnell genug sind, um die atomare Dynamik zu erfassen. Wie gelang es dem Team dann, diese Bewegung Atom für Atom zu visualisieren? Die Lösung ist völlig einzigartig. Sie kapselten zunächst die verdrillte Doppelschicht in Graphen ein und bauten im Wesentlichen eine kleine Reaktionskammer um sie herum, um die Doppelschicht beim Erhitzen mit atomarer Auflösung zu beobachten. Die Einkapselung durch Graphen trägt dazu bei, die Doppelschichtatome an Ort und Stelle zu halten, sodass jede Strukturumwandlung beobachtet werden kann, anstatt dass das Gitter durch die hochenergetischen 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 einzufangen, wurde die Probe halbsekündigen thermischen Impulsen zwischen 100 und 1.000 °C ausgesetzt. Nach jedem Puls untersuchte das Team mithilfe von TEM, wo sich die Atome befanden, und wiederholte dann den Vorgang.

„Man kann tatsächlich beobachten, wie sich das System verändert, wenn sich die Atome einleben, von der Konfiguration, in der sie ursprünglich platziert waren, in die energetisch günstige Konfiguration, in der sie sein möchten“, sagt Huang. „Dies kann uns helfen, sowohl die ursprüngliche Struktur bei der Herstellung als auch ihre Veränderungen bei Hitze zu verstehen.“

Wenn man versteht, wie eine Neuordnung erfolgt, kann man die Grenzflächenausrichtung auf der Nanoskala optimieren. „Es ist unmöglich zu betonen, wie begeistert die Menschen von dieser Anpassungsfähigkeit sind“, sagt Huang.

„Die makroskopische Verdrehung zwischen den beiden Schichten ist ein sehr wichtiger Parameter, denn wenn man eine über die andere dreht, kann man tatsächlich die Eigenschaften des gesamten Systems ändern. Wenn man beispielsweise das 2D-Graphenmaterial in einem bestimmten Winkel dreht, wird es.“ Bei manchen Materialien verändert sich die Bandlücke, wenn man sie dreht, was die Farbe des Lichts, das es absorbiert, und die Energie des Lichts, das es aussendet, verändert.