Niente è perfetto, o così dice il proverbio, e questo non è sempre un male. In uno studio presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia, gli scienziati hanno appreso come i difetti su scala nanometrica possono migliorare le proprietà di un ultrasottile, cosiddetto materiale 2-D.

Hanno combinato una cassetta degli attrezzi di tecniche per avvicinarsi al naturale, difetti su scala nanometrica formati nella produzione di minuscole scaglie di un materiale monostrato noto come disolfuro di tungsteno (WS2) e misurato i loro effetti elettronici in dettaglio prima non possibile.

"Di solito si dice che i difetti fanno male a un materiale, "ha detto Christoph Kastl, un ricercatore post-dottorato presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab e l'autore principale dello studio, pubblicato sulla rivista ACS Nano . "Qui forniscono funzionalità."

Il disolfuro di tungsteno è un materiale 2-D ben studiato che, come altri materiali 2-D del suo genere, presenta proprietà speciali a causa della sua sottigliezza atomica. È particolarmente noto per la sua efficienza nell'assorbire ed emettere luce, ed è un semiconduttore.

I membri di questa famiglia di materiali 2-D potrebbero fungere da transistor per computer ad alta efficienza e da altri componenti elettronici, e sono anche i primi candidati per l'uso in ultrasottili, celle solari ad alta efficienza e illuminazione a LED, così come nei computer quantistici.

Questi materiali 2-D potrebbero anche essere incorporati in nuove forme di archiviazione di memoria e trasferimento di dati, come la spintronica e la valleytronica, che rivoluzionerebbe l'elettronica facendo uso di materiali in nuovi modi per realizzare dispositivi più piccoli ed efficienti.

L'ultimo risultato segna il primo studio completo presso l'Advanced Light Source (ALS) del laboratorio che coinvolge una tecnica chiamata nanoARPES, che i ricercatori hanno arruolato per sondare i campioni 2-D con i raggi X. I raggi X hanno eliminato gli elettroni nel campione, consentendo ai ricercatori di misurare la loro direzione ed energia. Ciò ha rivelato difetti su scala nanometrica e il modo in cui gli elettroni interagiscono tra loro.

La capacità nanoARPES è alloggiata in una linea di luce a raggi X, lanciato nel 2016, noto come MAESTRO (Osservatorio Microscopico ed Elettronico di Strutture). È una delle dozzine di linee di luce specializzate presso la SLA, che produce luce in diverse forme, dagli infrarossi ai raggi X, per una varietà di esperimenti simultanei.

"È un grande progresso ottenere questa struttura elettronica su scale di lunghezza ridotta, " ha detto Eli Rotenberg, uno scienziato senior dello staff della SLA che è stato una forza trainante nello sviluppo di MAESTRO ed è stato uno dei leader dello studio. "Questo è importante per i dispositivi reali."

Il team ha anche arruolato una tecnica nota come XPS (spettroscopia fotoelettronica a raggi X) per studiare la composizione chimica di un campione su scale molto piccole; una forma di AFM (microscopia a forza atomica) per visualizzare dettagli strutturali che si avvicinano alla scala atomica; e una forma combinata di spettroscopia ottica (spettroscopia Raman/fotoluminescenza) per studiare come la luce interagisce con gli elettroni su scala microscopica.

Le varie tecniche sono state applicate presso la Fonderia Molecolare, dove il materiale è stato sintetizzato, e alla SLA. Il campione utilizzato nello studio conteneva microscopici, scaglie grossolanamente triangolari, ciascuno misura da 1 a 5 micron (milionesimi di metro) di diametro. Sono stati coltivati ​​sopra cristalli di biossido di titanio utilizzando un processo di stratificazione convenzionale noto come deposizione chimica da vapore, e i difetti erano in gran parte concentrati intorno ai bordi delle scaglie, una firma del processo di crescita. La maggior parte degli esperimenti si è concentrata su una singola scaglia di disolfuro di tungsteno.

Adam Schwartzberg, uno scienziato dello staff della Molecular Foundry che ha lavorato come co-responsabile dello studio, disse, "Ci è voluta una combinazione di più tipi di tecniche per definire cosa sta realmente accadendo".

Ha aggiunto, "Ora che sappiamo quali difetti abbiamo e quale effetto hanno sulle proprietà del materiale, possiamo utilizzare queste informazioni per ridurre o eliminare i difetti o, se desideri il difetto, ci dà modo di sapere dove sono i difetti, " e fornisce nuove informazioni su come propagare e amplificare i difetti nel processo di produzione del campione.

Mentre la concentrazione dei difetti del bordo nei fiocchi WS2 era generalmente nota prima dell'ultimo studio, Schwartzberg ha affermato che i loro effetti sulle prestazioni dei materiali non erano stati precedentemente studiati in modo così completo e dettagliato.

I ricercatori hanno scoperto che una carenza del 10% negli atomi di zolfo era associata alle regioni marginali difettose dei campioni rispetto ad altre regioni, e hanno identificato un più leggero, Carenza di zolfo del 3% verso il centro dei fiocchi. I ricercatori hanno anche notato un cambiamento nella struttura elettronica e una maggiore abbondanza di portatori di carica elettrica in movimento libero associati alle aree dei bordi ad alto difetto.

Per questo studio, i difetti erano dovuti al processo di crescita del campione. I futuri studi nanoARPES si concentreranno su campioni con difetti indotti attraverso processi chimici o altri trattamenti. I ricercatori sperano di controllare la quantità e i tipi di atomi interessati, e le posizioni in cui questi difetti sono concentrati nei fiocchi.

Queste piccole modifiche potrebbero essere importanti per processi come la catalisi, che viene utilizzato per migliorare e accelerare molti importanti processi di produzione chimica industriale, ed esplorare i processi quantistici che si basano sulla produzione di singole particelle che fungono da vettori di informazioni nell'elettronica.

Poiché la ricerca di WS2 e dei relativi materiali 2-D è ancora agli inizi, ci sono molte incognite sui ruoli che specifici tipi di difetti giocano in questi materiali, e Rotenberg hanno notato che c'è un mondo di possibilità per la cosiddetta "ingegneria dei difetti" in questi materiali.

Inoltre, nanoARPES di MAESTRO ha la capacità di studiare le strutture elettroniche di pile di diversi tipi di strati di materiale 2-D. Questo può aiutare i ricercatori a capire come le loro proprietà dipendono dalla loro disposizione fisica, e per esplorare dispositivi di lavoro che incorporano materiali 2-D.

"La piccola scala senza precedenti delle misurazioni - che si avvicina attualmente ai 50 nanometri - rende nanoARPES un ottimo strumento di scoperta che sarà particolarmente utile per comprendere nuovi materiali mentre vengono inventati, " ha detto Rotenberg.

MAESTRO è una delle linee di luce prioritarie da aggiornare nell'ambito del progetto ALS Upgrade (ALS-U) del laboratorio, una grande impresa che produrrà ancora più luminoso, fasci di luce più focalizzati per gli esperimenti. "Il progetto ALS-U migliorerà ulteriormente le prestazioni della tecnica nanoARPES, "Rotenberg ha detto, "rendendo le sue misurazioni da 10 a 30 volte più efficienti e migliorando significativamente la nostra capacità di raggiungere scale di lunghezza ancora più brevi".

NanoARPES potrebbe svolgere un ruolo importante nello sviluppo di nuove tecnologie solari, perché consente ai ricercatori di vedere come le variazioni su scala nanometrica nella composizione chimica, numero di difetti, e altre caratteristiche strutturali influenzano gli elettroni che alla fine governano le loro prestazioni. Questi stessi problemi sono importanti per molti altri materiali complessi, come i superconduttori, magneti, e termoelettrici – che convertono la temperatura in corrente e viceversa – quindi nanoARPES sarà molto utile anche per questi.