Negli ultimi anni, gli ingegneri hanno trovato modi per modificare le proprietà di alcuni materiali "bidimensionali", che hanno solo uno o pochi atomi di spessore, impilando due strati insieme e ruotando leggermente uno rispetto all'altro. Questo crea i cosiddetti motivi moiré, dove piccoli spostamenti nell'allineamento degli atomi tra i due fogli creano modelli su larga scala. Cambia anche il modo in cui gli elettroni si muovono attraverso il materiale, in modi potenzialmente utili.

Ma per le applicazioni pratiche, tali materiali bidimensionali devono ad un certo punto connettersi con il mondo ordinario dei materiali 3D. Un team internazionale guidato da ricercatori del MIT ha ora escogitato un modo per visualizzare ciò che accade a queste interfacce, fino al livello dei singoli atomi, e di correlare i modelli moiré al confine 2-D-3-D con i cambiamenti risultanti nelle proprietà del materiale.

Le nuove scoperte sono descritte oggi sulla rivista Comunicazioni sulla natura , in un articolo degli studenti laureati del MIT Kate Reidy e Georgios Varnavides, professori di scienza dei materiali e ingegneria Frances Ross, Jim LeBeau, e Polina Anikeeva, e altri cinque al MIT, Università di Harvard, e l'Università di Victoria in Canada.

Coppie di materiali bidimensionali come il grafene o il nitruro di boro esagonale possono mostrare incredibili variazioni nel loro comportamento quando i due fogli sono solo leggermente attorcigliati l'uno rispetto all'altro. Ciò fa sì che i reticoli atomici simili a reticoli di pollo formino motivi moiré, i tipi di bande e macchie strane che a volte appaiono quando si scatta una foto di un'immagine stampata, o attraverso uno schermo della finestra. Nel caso di materiali 2-D, "sembra qualsiasi cosa, ogni proprietà di materiali interessanti a cui puoi pensare, puoi in qualche modo modulare o cambiare torcendo i materiali 2-D l'uno rispetto all'altro, "dice Rossi, chi è il professore di Ellen Swallow Richards al MIT.

Mentre questi accoppiamenti 2-D hanno attirato l'attenzione scientifica in tutto il mondo, lei dice, si sa poco di ciò che accade quando i materiali 2-D incontrano i normali solidi 3-D. "Cosa ci ha fatto interessare a questo argomento, " dice Rossi, era "cosa succede quando un materiale 2-D e un materiale 3-D vengono messi insieme. In primo luogo, come si misurano le posizioni atomiche a, e vicino, l'interfaccia? In secondo luogo, quali sono le differenze tra un'interfaccia 3-D-2-D e un'interfaccia 2-D-2-D? E terzo, come potresti controllarlo:c'è un modo per progettare deliberatamente la struttura interfacciale" per produrre le proprietà desiderate?

Capire esattamente cosa succede a tali interfacce 2-D-3-D è stata una sfida scoraggiante perché i microscopi elettronici producono un'immagine del campione in proiezione, e sono limitati nella loro capacità di estrarre informazioni approfondite necessarie per analizzare i dettagli della struttura dell'interfaccia. Ma il team ha scoperto una serie di algoritmi che hanno permesso loro di estrapolare dalle immagini del campione, che sembrano un po' un insieme di ombre sovrapposte, per capire quale configurazione di strati sovrapposti produrrebbe quella complessa "ombra".

Il team ha utilizzato due esclusivi microscopi elettronici a trasmissione al MIT che consentono una combinazione di capacità che non ha rivali al mondo. In uno di questi strumenti, un microscopio è collegato direttamente a un sistema di fabbricazione in modo che i campioni possano essere prodotti in loco mediante processi di deposizione e immediatamente inseriti nel sistema di imaging. Questa è una delle poche strutture di questo tipo in tutto il mondo, che utilizzano un sistema di vuoto ultraelevato che impedisce anche alla più piccola delle impurità di contaminare il campione durante la preparazione dell'interfaccia 2-D-3-D. Il secondo strumento è un microscopio elettronico a scansione a trasmissione situato nel nuovo centro di ricerca del MIT, MIT.nano. Questo microscopio ha una stabilità eccezionale per l'imaging ad alta risoluzione, così come più modalità di imaging per la raccolta di informazioni sul campione.

A differenza dei materiali 2-D impilati, i cui orientamenti possono essere modificati con relativa facilità semplicemente prelevando uno strato, girandolo leggermente, e rimettendolo giù, i legami che tengono insieme i materiali 3D sono molto più forti, quindi il team ha dovuto sviluppare nuovi modi per ottenere livelli allineati. Per fare questo, hanno aggiunto il materiale 3-D al materiale 2-D in ultraalto vuoto, scegliendo condizioni di crescita in cui gli strati si autoassemblano in un orientamento riproducibile con specifici gradi di torsione. "Dovevamo far crescere una struttura che fosse allineata in un certo modo, " dice Reidi.

Avendo coltivato i materiali, hanno quindi dovuto capire come rivelare le configurazioni atomiche e gli orientamenti dei diversi strati. Un microscopio elettronico a trasmissione a scansione produce effettivamente più informazioni di quelle che appaiono in un'immagine piatta; infatti, ogni punto dell'immagine contiene dettagli dei percorsi lungo i quali gli elettroni sono arrivati ​​e sono partiti (il processo di diffrazione), così come qualsiasi energia che gli elettroni hanno perso nel processo. Tutti questi dati possono essere separati in modo che le informazioni in tutti i punti di un'immagine possano essere utilizzate per decodificare l'effettiva struttura solida. Questo processo è possibile solo per i microscopi più moderni, come quello in MIT.nano, che genera una sonda di elettroni insolitamente stretta e precisa.

I ricercatori hanno utilizzato una combinazione di tecniche chiamate 4-D STEM e contrasto di fase differenziale integrato per ottenere quel processo di estrazione dell'intera struttura all'interfaccia dall'immagine. Quindi, Varnavide dice, hanno chiesto, "Ora che possiamo visualizzare l'intera struttura nell'interfaccia, cosa significa questo per la nostra comprensione delle proprietà di questa interfaccia?" I ricercatori hanno dimostrato attraverso la modellazione che le proprietà elettroniche dovrebbero essere modificate in un modo che può essere compreso solo se l'intera struttura dell'interfaccia è inclusa nella teoria fisica. "Quello che abbiamo scoperto è che in effetti questo impilamento, il modo in cui gli atomi sono impilati fuori piano, modula le proprietà elettroniche e di densità di carica, " lui dice.

Ross dice che i risultati potrebbero aiutare a migliorare i tipi di giunzioni in alcuni microchip, Per esempio. "Ogni materiale 2-D utilizzato in un dispositivo deve esistere nel mondo 3-D, e quindi deve avere una giunzione in qualche modo con materiali tridimensionali, "dice. Allora, con questa migliore comprensione di quelle interfacce, e nuovi modi per studiarli in azione, "siamo in buona forma per realizzare strutture con proprietà desiderabili in una sorta di modo pianificato piuttosto che ad hoc."

"La metodologia utilizzata ha il potenziale per calcolare dai modelli di diffrazione locali acquisiti la modulazione del momento dell'elettrone locale, " lui dice, aggiungendo che "la metodologia e la ricerca mostrate qui hanno un futuro eccezionale e un grande interesse per la comunità della scienza dei materiali".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.