Per ridurre ulteriormente i dispositivi elettronici e ridurre il consumo di energia, l'industria dei semiconduttori è interessata all'utilizzo di materiali 2-D, ma i produttori hanno bisogno di un metodo rapido e accurato per rilevare i difetti di questi materiali per determinare se il materiale è adatto alla fabbricazione del dispositivo. Ora un team di ricercatori ha sviluppato una tecnica per caratterizzare in modo rapido e sensibile i difetti nei materiali 2-D.

I materiali bidimensionali sono atomicamente sottili, il più noto è il grafene, uno strato di atomi di carbonio dello spessore di un singolo atomo.

"Le persone hanno lottato per realizzare questi materiali 2-D senza difetti, " disse Mauricio Terrones, Verne M. Willaman Professore di Fisica, Penn State. "Questo è l'obiettivo finale. Vogliamo avere un materiale 2-D su un wafer da quattro pollici con almeno un numero accettabile di difetti, ma vuoi valutarlo in modo rapido."

I ricercatori, che rappresentano la Penn State, Università del nordest, Rice University e Universidade Federal de Minas Gerais in Brasile:la soluzione è utilizzare la luce laser combinata con la generazione di seconda armonica, un fenomeno in cui la frequenza della luce riflessa sul materiale riflette al doppio della frequenza originale. Aggiungono immagini in campo oscuro, una tecnica in cui la luce estranea viene filtrata in modo che i difetti traspaiano. Secondo i ricercatori, questo è il primo caso in cui è stata utilizzata l'imaging in campo oscuro, e fornisce tre volte la luminosità del metodo standard di imaging in campo chiaro, rendendo possibile vedere tipi di difetti prima invisibili.

"La localizzazione e l'identificazione dei difetti con la generazione di seconda armonica in campo chiaro comunemente usata è limitata a causa degli effetti di interferenza tra diversi grani di materiali 2-D, " disse Leandro Mallard, un autore senior su un recente articolo in Nano lettere e professore all'Universidade Federal de Minas Gerais. "In questo lavoro abbiamo dimostrato che mediante l'uso del campo oscuro SHG rimuoviamo gli effetti di interferenza e riveliamo i bordi e i bordi dei grani dei materiali 2-D semiconduttori. Una tale nuova tecnica ha una buona risoluzione spaziale e può visualizzare campioni di grandi aree che potrebbero essere utilizzato per monitorare la qualità del materiale prodotto su scala industriale."

Vincenzo Crespi, Illustre Professore di Fisica, Scienze dei materiali e Ingegneria, e chimica, Penn State, aggiunto, "I cristalli sono fatti di atomi, e così anche i difetti all'interno dei cristalli, dove gli atomi sono mal posizionati, sono di dimensioni atomiche.

"Generalmente, potente, sono necessarie sonde sperimentali costose e lente che eseguono la microscopia utilizzando fasci di elettroni per discernere dettagli così fini in un materiale, — disse Crespi. — Ecco, usiamo un metodo ottico veloce e accessibile che estrae solo il segnale che ha origine dal difetto stesso per scoprire in modo rapido e affidabile come i materiali 2D sono cuciti insieme da grani orientati in modi diversi."

Un altro coautore ha paragonato la tecnica alla ricerca di uno zero particolare su una pagina piena di zeri.

"Nel campo oscuro, tutti gli zeri sono resi invisibili in modo che risalti solo lo zero difettoso, " ha detto Yuanxi Wang, assistente professore di ricerca presso il Materials Research Institute di Penn State.

L'industria dei semiconduttori vuole avere la possibilità di controllare i difetti sulla linea di produzione, ma i materiali 2-D verranno probabilmente utilizzati nei sensori prima di essere utilizzati nell'elettronica, secondo Terrones. Poiché i materiali 2D sono flessibili e possono essere incorporati in spazi molto piccoli, sono buoni candidati per più sensori in uno smartwatch o smartphone e la miriade di altri posti dove piccoli, sono necessari sensori flessibili.

"Il prossimo passo sarebbe un miglioramento della configurazione sperimentale per mappare i difetti di dimensione zero, ad esempio i posti vacanti atomici, ed estenderlo anche ad altri materiali 2-D che ospitano diverse proprietà elettroniche e strutturali, " ha detto l'autore principale Bruno Carvalho, un ex visiting scholar nel gruppo di Terrones,