Точные 3D-карты 2D-материалов определяют координаты отдельных атомов

Исследовательская группа, возглавляемая компанией UCLA, создала беспрецедентные подробные экспериментальные трехмерные карты атомов в так называемом двумерном материале – веществе, которое на самом деле не двумерное, но почти плоское, потому что оно расположено в чрезвычайно тонких слоях, не более чем несколько атомов толщиной.

Хотя технологии, основанные на 2D-материалах, еще не получили широкого применения в коммерческом секторе, материалы стали предметом значительного исследовательского интереса. В будущем они могут стать основой для полупроводниковых приборов в электронике все меньшего размера, компонентов для квантовых компьютеров, более эффективных батарей или фильтров, способных извлекать пресную воду из соленой воды.

Многообещающие материалы 2D проистекают из определенных свойств, которые отличаются от того, как ведут себя одни и те же элементы или соединения, когда они появляются в больших количествах. На эти уникальные характеристики влияют квантовые эффекты – явления, происходящие в чрезвычайно малых масштабах, которые принципиально отличаются от классической физики, наблюдаемой в более крупных масштабах. Например, когда углерод расположен в атомно тонком слое с образованием двумерного графена, он прочнее стали, проводит тепло лучше, чем любой другой известный материал, и имеет практически нулевое электрическое сопротивление.

Но использование 2D-материалов в реальных приложениях потребовало бы большего понимания их свойств и способности управлять этими свойствами. Новое исследование, которое было опубликовано в Nature Materials, могло бы стать шагом вперед в этом направлении.

Исследователи показали, что их трехмерные карты атомной структуры материала являются точными в масштабе пикометра – измеряются в одной триллионной части метра. Они использовали свои измерения для количественной оценки дефектов в двумерном материале, которые могут повлиять на их электронные свойства, а также для точной оценки этих электронных свойств.

“Что уникально в этом исследовании, так это то, что мы определяем координаты отдельных атомов в трех измерениях без использования каких-либо ранее существующих моделей”, – сказал соответствующий автор Цзянвэй “Джон” Мяо, профессор физики и астрономии из Калифорнийского университета. “Наш метод может быть использован для всех видов 2D материалов”.

Мяо является заместителем директора Научно-технического центра Национального научного фонда STROBE и членом Калифорнийского института наносистем в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Его лаборатория в Калифорнийском университете в сотрудничестве с исследователями из Гарвардского университета, Национальной лаборатории Ок-Риджа и Университета Райса.

Ученые исследовали один слой дисульфида молибдена, часто изучаемого 2D материала. В массе это соединение используется в качестве смазки. Как двумерный материал, он обладает электронными свойствами, что позволяет предположить, что его можно использовать в полупроводниковой электронике следующего поколения. Исследуемые образцы были легированы следами рения, металла, который добавляет запасные электроны при замене молибдена. Этот вид легирования часто используется для производства компонентов для компьютеров и электроники, потому что он помогает облегчить поток электронов в полупроводниковых устройствах.

Для анализа материала 2D исследователи использовали новую технологию, разработанную ими на основе сканирующей просвечивающей электронной микроскопии, которая позволяет получать изображения путем измерения рассеянных электронов, пропускаемых через тонкие образцы. Команда Мяо разработала методику, называемую сканирующей атомно-электронной томографией, которая создает трехмерные изображения путем захвата образца под несколькими углами при его вращении.

Ученым пришлось избежать одной серьезной проблемы при создании изображений: 2D материалы могут быть повреждены из-за слишком большого воздействия электронов. Таким образом, для каждого образца исследователи воссоздали изображения по частям, а затем сшивали их вместе, чтобы сформировать одно трехмерное изображение, что позволило им использовать меньше сканирования и, следовательно, более низкую дозу электронов, чем если бы они отображали весь образец за один раз.

Каждый из двух образцов имел размеры 6 нанометров на 6 нанометров, и каждый из меньших срезов имел размеры около 1 нанометра на 1 нанометр. (Нанометр равен одной миллиардной части метра.)

Полученные изображения позволили исследователям проверить трехмерную структуру образцов с точностью до 4 пикометров в случае атомов молибдена – в 26 раз меньше диаметра атома водорода. Такой уровень точности позволял им измерять пульсации, деформацию, деформирующую форму материала и изменения в размере химических связей, все изменения, вызванные добавлением рения, – отмечая самое точное измерение всех этих характеристик в 2D-материале.

“Если мы просто предположим, что введение легирующей добавки является простой заменой, мы не ожидаем больших напряжений”, – сказал Сюэзэн Тянь, соавтор статьи и доктор UCLA. “Но то, что мы наблюдали, сложнее, чем предыдущие эксперименты”.

Ученые обнаружили, что наибольшие изменения произошли в наименьшем измерении 2D материала при его высоте в три атома. Чтобы ввести такое локальное искажение, понадобился всего один атом рения.

Вооруженные информацией о трехмерных координатах материала, ученые в Гарварде, во главе с профессором Принехой Нарангом, провели квантово-механические расчеты электронных свойств материала.

“Эти эксперименты в атомном масштабе дали нам новый взгляд на то, как ведут себя двумерные материалы и как их следует учитывать в расчетах, и они могут изменить правила игры для новых квантовых технологий”, – сказал Наранг.

Без доступа к типу измерений, сгенерированных в исследовании, такие квантово-механические вычисления традиционно основывались на теоретической модельной системе, которая ожидается при температуре абсолютного нуля.

Исследование показало, что измеренные трехмерные координаты привели к более точным расчетам электронных свойств двумерного материала.

“Наша работа может трансформировать квантово-механические расчеты с использованием экспериментальных трехмерных координат атомов в качестве прямого ввода”, – сказал доктор наук Калифорнийского университета в Калифорнии, один из первых авторов исследования. “Этот подход должен позволить инженерам по материалам лучше прогнозировать и открывать новые физические, химические и электронные свойства 2D материалов на уровне одного атома”.