Da adesso, è ben noto che l'assottigliamento di un materiale fino allo spessore di un singolo atomo può modificare drasticamente le proprietà fisiche di quel materiale. Grafene, il materiale 2-D più noto, ha una forza e una conduttività elettrica senza pari, a differenza della sua forma sfusa come grafite. I ricercatori hanno iniziato a studiare centinaia di altri materiali 2-D per scopi di elettronica, rilevamento, diagnosi precoce del cancro, desalinizzazione dell'acqua e una miriade di altre applicazioni. Ora, un team di ricercatori della Penn State del Dipartimento di Fisica e del Center for Two-Dimensional and Layered Materials (2DLM) ha sviluppato un veloce, metodo ottico non distruttivo per l'analisi dei difetti nei materiali bidimensionali.

"Nel settore dei semiconduttori, Per esempio, i difetti sono importanti perché puoi controllare le proprietà attraverso i difetti, " disse Mauricio Terrones, professore di fisica, scienza dei materiali e ingegneria e chimica, Penn State. "Questo è noto come ingegneria dei difetti. L'industria sa come controllare i difetti e quali tipi sono adatti ai dispositivi".

Per capire veramente cosa sta succedendo in un materiale 2-D come il disolfuro di tungsteno, che ha un singolo strato di tungsteno dello spessore di un atomo racchiuso tra due strati atomici di zolfo, richiederebbe un microscopio elettronico ad alta potenza in grado di vedere i singoli atomi e i fori, chiamati posti vacanti, dove mancano gli atomi.

"Il vantaggio della microscopia elettronica a trasmissione (TEM) è che si ottiene un'immagine e si può vedere direttamente cosa sta succedendo:si ottengono prove dirette, " disse Bernd Kabius, scienziato del personale presso il Materials Research Institute di Penn State, un esperto di TEM e un coautore dell'articolo apparso il 28 aprile sulla rivista online Progressi scientifici .

I lati negativi, secondo Kabius, sono una maggiore possibilità di danni al delicato materiale 2-D, la complessa preparazione richiesta del campione e il tempo necessario:un'intera giornata di tempo dello strumento per l'immagine di un singolo campione e una settimana o più per interpretare i risultati. Per questi motivi, e altri, i ricercatori vorrebbero combinare TEM con un altro metodo di guardare il campione che è più semplice e veloce.

La tecnica sviluppata da Terrones e dal suo team utilizza un metodo ottico, microscopia a fluorescenza, in cui un laser di una specifica lunghezza d'onda viene proiettato su un campione e sugli elettroni eccitati, spinto a un livello di energia superiore, ciascuno emette un fotone di lunghezza d'onda maggiore quando l'elettrone scende a un livello di energia inferiore. La lunghezza d'onda, o colore della luce, può essere misurato mediante spettroscopia e fornisce informazioni sul tipo di difetto e sulla posizione sul campione. Questi dati vengono visualizzati come picchi su un grafico, che il team ha poi correlato alla conferma visiva sotto il TEM. Anche i calcoli teorici hanno aiutato a convalidare i risultati ottici. Una fase necessaria del processo richiede il posizionamento del campione in un supporto per campioni a temperatura controllata, o palcoscenico, e abbassando la temperatura a 77 kelvin, quasi 200 gradi C sotto zero. A questa temperatura, le coppie elettrone-lacuna che producono la fluorescenza sono legate al difetto - nel caso di questo lavoro un gruppo di vacanze di zolfo nello strato superiore del sandwich - ed emettono un segnale più forte delle aree incontaminate del materiale.

"Per la prima volta, abbiamo stabilito una relazione diretta tra la risposta ottica e la quantità di difetti atomici nei materiali bidimensionali, " disse Victor Carozo, ex borsista postdottorato nel laboratorio di Terrones e primo autore dell'opera.

Terrone ha aggiunto, "Per l'industria dei semiconduttori, questa è una misurazione rapida, un metodo ottico non distruttivo per valutare i difetti nei sistemi 2-D. L'importante è che siamo riusciti a correlare il nostro metodo ottico con TEM e anche con simulazioni atomistiche. Penso che questo metodo possa essere molto utile per stabilire un protocollo per la caratterizzazione dei materiali cristallini 2-D".

In tale contesto, co-autore Yuanxi Wang, un ricercatore post-dottorato nel 2DLM e un teorico, aggiunto, "I nostri calcoli mostrano che gli elettroni intrappolati dalle vacanze emettono luce a lunghezze d'onda diverse dall'emissione dalle regioni prive di difetti. Le regioni che emettono luce a queste lunghezze d'onda possono facilmente identificare le vacanze all'interno dei campioni".

E Vincenzo Crespi, Illustre Professore di Fisica, Scienza dei materiali e ingegneria e chimica, Penn State, ha affermato "Possiamo stabilire non solo una correlazione empirica tra la presenza di determinati difetti e l'emissione di luce modificata, ma anche identificare la ragione di quella correlazione attraverso i calcoli dei primi principi."

Le applicazioni dei dispositivi che potrebbero essere migliorate da questo lavoro includono membrane con dimensioni dei pori selettive per rimuovere il sale dall'acqua o per il sequenziamento del DNA, rilevamento del gas quando le molecole di gas si legano a posti vacanti specifici e il drogaggio di materiali 2-D, che è l'aggiunta di atomi estranei per migliorare le proprietà.