Cristalli monostrato, spesso indicati come cristalli 2D o materiali 2D, possiedono la caratteristica unica di avere un unico strato di struttura atomica regolare. E quanto più regolare è la struttura, maggiore è la qualità del cristallo. In alcuni casi, la struttura atomica si ripete alla perfezione, ma la maggior parte delle volte, come di solito accade in natura, ci sono alcuni difetti.

Bisolfuro di molibdeno (MoS ₂ ), un cristallo nero che sembra grafite, è un esempio di un cristallo che ha una struttura a strati in cui possono essere presenti difetti. "Gli atomi nel monostrato MoS ₂ sono disposti in tre strati, come un panino, uno strato inferiore di atomi di zolfo, e poi uno strato di atomi di metallo, e infine un altro strato di atomi di zolfo, "dice Aleksandra Radenovic, il capo del Laboratorio di Biologia Nanoscala presso la Scuola di Ingegneria dell'EPFL. "Ma a volte, mancano alcuni atomi di zolfo, che porta a difetti di vacanza nei cristalli. Tali difetti possono anche essere utili. Per esempio, catalizzano la reazione di scissione dell'acqua per produrre idrogeno o fungono da siti bersaglio nei rilevatori di biomolecole. Per questo ci interessano questi difetti, soprattutto nel loro comportamento in liquido."

Radenovic, insieme al postdoc Miao Zhang, Martina Lihter, ex dottorato di ricerca alunno, e collaboratori, studiato MoS ₂ campioni e sviluppato un metodo per mappare questi tipi di difetti in liquidi, portando a una migliore comprensione delle proprietà del materiale. Nella microscopia elettronica, che consente la visualizzazione diretta dei difetti con una risoluzione superba grazie all'uso di un fascio di elettroni ad alta energia, è necessario un ambiente sottovuoto. "Le misurazioni nel liquido sono ancora impegnative, " dice Radenovic. Per poter visualizzare i siti dei difetti nel liquido, Il team LBEN ha adattato la modalità di imaging di microscopia ottica denominata Accumulo di punti nella topografia su scala nanometrica, DIPINGERE. Il lavoro è stato recentemente pubblicato in ACS Nano .

Fare luce sui difetti

Perché il monostrato MoS ₂ il cristallo è solo tre strati di atomi sottili, è quasi trasparente, che consente agli scienziati di osservarlo attraverso un sottile vetrino coprioggetto su un microscopio invertito. "Abbiamo posizionato il nostro campione in una soluzione acquosa per studiare l'attività dei difetti nell'ambiente liquido, "dice Liter.

Gli scienziati hanno quindi utilizzato sonde tioliche fluorescenti che si legano specificamente ai posti vacanti di zolfo. "Dirigendo un raggio laser sul campione, siamo in grado di vedere direttamente una singola sonda legata ad un difetto e localizzarne con precisione la posizione, " dice Zhang. Si scopre che tale legame è reversibile in determinate condizioni. Imaging tale legame transitorio casuale a difetti per un periodo di tempo, come reminiscenza della strategia PAINT, gli scienziati sono stati in grado di identificare e contare i difetti del cristallo e quantificarne le imperfezioni, tutto su una scala relativamente ampia. "In questo modo, potremmo anche osservare come i difetti interagiscono con il loro ambiente, "dice Zhang.

Alterare le proprietà di un materiale

Le vacanze di zolfo hanno il risultato di modificare le proprietà del materiale. MoS ₂ è un materiale semiconduttore utilizzato per realizzare chip per dispositivi elettronici. Gli esperimenti condotti dal team di Radenovic avevano quindi lo scopo non solo di mappare i difetti, ma anche studiare il comportamento del materiale per sanare i difetti. "Una struttura atomica irregolare modifica il modo in cui gli elettroni si muovono all'interno di un materiale e la mobilità del vettore del materiale, "dice Radenovic. "Questo di conseguenza altera le sue proprietà."

Mentre gli scienziati si sono concentrati su MoS ₂ per questo studio, il loro metodo è applicabile ad altri materiali della stessa famiglia (dicalcogenuro di metalli di transizione) che hanno una struttura atomica a sandwich.