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MIT等:设计2D和3D材料之间的边界,控制材料特性

已有 2500 次阅读 2021-3-2 10:57 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察

MIT等:设计2D3D材料之间的边界,控制材料特性

 诸平

据美国麻省理工学院(MIT2021226日提供的消息,尖端显微镜有助于揭示控制原子薄材料电子特性的方法。

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Fig. 1 These images of "islands" of gold atoms deposited on a layer of two-dimensional molybdenum sulfide were produced by two different modes, using a new scanning tunneling electron microscope (STEM) in the new MIT.nano facility. By combining the data from the two different modes the researchers were able to figure out the three-dimensional arrangement of atoms where the two materials meet.

Credits: Image courtesy of the researchers

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Fig. 2 In the lab, this ultra-high vacuum system was used to prepare samples of 2D-3D material interfaces which were then studied in the adjoining electron microscope facility.

Credits: Image courtesy of the researchers

1是这些沉积在二维硫化钼(molybdenum sulfide)层上的金原子的图像是通过两种不同的模式产生的,这是使用新的MIT.nano装置中的新型扫描隧道电子显微镜(scanning tunneling electron microscope, STEM)进行的。通过组合来自两种不同模式的数据,研究人员能够找出两种材料相遇的原子的三维排列。图2是实验室照片。在实验室中,此超高真空系统用于制备2D-3D材料界面的样品,然后在相邻的电子显微镜设备中进行研究。

近年来,工程师发现了一些方法,可以通过将两层堆叠在一起并相对于另一层稍微旋转,来修改仅一个或几个原子厚的某些二维材料的属性。这产生了所谓的莫尔图案(moiré patterns),其中两张薄片之间原子排列的微小变化产生了较大比例的图案。它还以潜在有用的方式改变了电子在材料中移动的方式。

但是对于实际应用,此类二维材料必须在某些时候与3D材料的普通世界联系起来。由麻省理工学院的研究人员领导的国际团队现在已经提出了一种方法,可以对这些界面上发生的事情进行成像,直至单个原子的水平,并将2D-3D边界处的莫尔条纹(moiré patterns)与材料特性的最终变化相关联。相关研究结果于2021226日已经在《自然通讯》(Nature Communications)杂志网站发表——Kate ReidyGeorgios VarnavidesJoachim Dahl ThomsenAbinash KumarThang PhamArthur M. BlackburnPolina AnikeevaPrineha NarangJames M. LeBeauFrances M. Ross. Direct imaging and electronic structure modulation of moiré superlattices at the 2D/3D interface. Nature Communications, 2021, Volume 12, Article number: 1290. Published: 26 February 2021. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21363-5

上述论文的第一作者是麻省理工学院的研究生凯特·雷迪(Kate Reidy)和Georgios Varnavides,另外还有材料科学与工程方面的几位教授,他们是弗朗西斯·罗斯(Frances Ross)教授、吉姆·勒博(Jim LeBeau)教授和波琳娜·阿尼吉娃(Polina Anikeeva)教授;其他五位合作者分别来自MIT、美国哈佛大学(Harvard University)以及加拿大的维多利亚大学(University of Victoria)。

当两片材料相对彼此稍微扭曲时,成对的二维材料(例如石墨烯或六方氮化硼)可能会表现出惊人的性能变化。这会导致像金属丝一样的原子晶格形成莫尔条纹,这些奇异的条纹和斑点有时在拍摄打印图像的照片时或通过窗户屏幕时会出现。就2D材质而言,您似乎可以想到的任何事物,每种有趣的材质属性,都可以通过使2D材质相互扭曲来以某种方式进行调制或更改,麻省理工学院的艾伦·斯沃洛·理查兹(Ellen Swallow Richards)教授弗朗西斯·罗斯说。

她说,尽管这些2D配对已在全球范围内引起了科学关注,但对于2D材料与常规3D实体相遇会发生什么情况知之甚少。弗朗西斯·罗斯说:使我们对该主题产生兴趣的是,将2D材质和3D材质放在一起会发生什么。首先,您如何测量界面处和界面附近的原子位置?其次,3D-2D2D-2D界面之间有什么区别?第三,您如何控制它-是否有办法故意设计界面结构以产生所需的特性?”

确切地了解在此类2D-3D界面上发生的事情是一个艰巨的挑战,因为电子显微镜会产生投影中样品的图像,而且它们提取深度信息的能力受到限制,这些深度信息用于分析界面结构的细节。但是研究小组找到了一套算法,使他们可以从样本图像中推断出一些看起来像一组重叠阴影的图像,从而弄清楚堆叠层的哪种配置会产生复杂的阴影

该团队利用麻省理工学院的两个独特的透射电子显微镜,实现了世界上无与伦比的功能组合。在其中一种仪器中,显微镜直接连接到制造系统,因此可以通过沉积工艺在现场生产样品,并立即将其直接送入成像系统。这是全球仅有的少数此类设施之一,它们使用超高真空系统,既可以制备2D-3D界面,也可以防止最细小的杂质污染样品。第二台仪器是位于麻省理工学院新研究机构MIT.nano的扫描透射电子显微镜。该显微镜对于高分辨率成像具有出色的稳定性,并具有多种成像模式来收集有关样品的信息。

与堆叠的2D材料不同,通过仅拾取一层,稍微扭曲并再次放下就可以相对容易地改变其方向,将3D材料粘合在一起的键要牢固得多,因此团队必须开发新的方法来获得对齐的层。为此,他们以超高真空将3D材料添加到2D材料上,选择生长条件,在这些条件下,各层以特定的扭曲度以可复制的方向自组装。凯特·雷迪说:我们需要开发出一种必须以某种方式保持一致的结构。

在生长材料之后,他们必须找出如何揭示不同层的原子构型和方向的方法。扫描透射电子显微镜实际上产生的信息多于平面图像中可见的信息。实际上,图像中的每个点都包含电子到达和离开的路径(衍射过程)的详细信息,以及电子在此过程中损失的任何能量。可以将所有这些数据分离出来,以便可以使用图像中所有点的信息来破解实际的实体结构。只有像MIT.nano这样的最先进的显微镜,该过程才可能实现,它会产生异常狭窄和精确的电子探针。

研究人员使用了称为4D STEM的技术和集成的差分相位对比技术的组合,以实现从图像中提取界面完整结构的过程。然后,Georgios Varnavides说,他们问:现在我们可以在界面上成像整个结构,这对我们理解该界面的特性意味着什么?” 研究人员通过建模表明,只有在物理理论中包括界面的完整结构的情况下,才有望以某种方式来理解电子特性。他说:我们发现,实际上,这种堆叠(原子在平面外堆叠的方式)确实调节了电子和电荷密度特性。

弗朗西丝·罗斯(Frances M. Ross)说,这些发现可能有助于改善某些微芯片的连接类型。她说:设备中使用的所有2D材料都必须存在于3D世界中,因此它必须以某种方式与三维材料结合。” 因此,有了对这些界面的更好理解以及研究它们的新方法后,我们就会处于良好状态,可以通过计划而非临时的方式来制造具有所需特性的结构。

西班牙加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所(Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology in Spain)的乔迪·阿尔比奥尔(Jordi Arbiol)说:目前的工作本身就开辟了一个领域,使该方法学能够应用于不断增长的莫尔工程学(moiré engineering)研究领域,这在量子物理学乃至催化领域都至关重要。乔迪·阿尔比奥尔与上述这项研究工作无关。他还说:所使用的方法有可能根据获取的局部衍射图样来计算局部电子动量的调制。“本文所展示的方法和研究在材料科学领域,具有广阔的发展前景和很高的应用价值。上述介绍仅供参考,更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道

Abstract

The atomic structure at the interface between two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) materials influences properties such as contact resistance, photo-response, and high-frequency electrical performance. Moiré engineering is yet to be utilized for tailoring this 2D/3D interface, despite its success in enabling correlated physics at 2D/2D interfaces. Using epitaxially aligned MoS2/Au{111} as a model system, we demonstrate the use of advanced scanning transmission electron microscopy (STEM) combined with a geometric convolution technique in imaging the crystallographic 32Å moiré pattern at the 2D/3D interface. This moiré period is often hidden in conventional electron microscopy, where the Au structure is seen in projection. We show, via ab initio electronic structure calculations, that charge density is modulated according to the moiré period, illustrating the potential for (opto-)electronic moiré engineering at the 2D/3D interface. Our work presents a general pathway to directly image periodic modulation at interfaces using this combination of emerging microscopy techniques.




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