Nel tentativo di comprendere come e perché le interfacce 2D assumono le strutture che assumono, i ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign hanno sviluppato un metodo per visualizzare la riorganizzazione indotta termicamente dei materiali 2D, atomo per atomo, da attorcigliati a strutture allineate utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione (TEM).

Hanno osservato un meccanismo nuovo e inaspettato per questo processo in cui un nuovo chicco veniva seminato all’interno di un monostrato, la cui struttura era modellata dallo strato adiacente. Essere in grado di controllare la torsione macroscopica tra gli strati consente un maggiore controllo sulle proprietà dell'intero sistema.

Questa ricerca, condotta dal professore di scienza e ingegneria dei materiali Pinshane Huang e dal ricercatore post-dottorato Yichao Zhang, è stata recentemente pubblicata sulla rivista Science Advances .

"Il modo in cui le interfacce del doppio strato si allineano tra loro e attraverso quale meccanismo si trasformano in una configurazione diversa è molto importante", afferma Zhang. "Controlla le proprietà dell'intero sistema a doppio strato che, a sua volta, influenza sia il suo comportamento su scala nanometrica che quello microscopico."

La struttura e le proprietà dei multistrati 2D sono spesso altamente eterogenee e variano ampiamente tra i campioni e anche all'interno di un singolo campione. Due dispositivi con solo pochi gradi di torsione tra gli strati potrebbero avere un comportamento diverso. È noto anche che i materiali 2D si riconfigurano sotto stimoli esterni come il riscaldamento, che si verifica durante il processo di fabbricazione di dispositivi elettronici.

"La gente di solito pensa ai due strati come se avessero due fogli di carta ruotati di 45° l'uno rispetto all'altro. Per far sì che gli strati passino da ruotati ad allineati, dovresti semplicemente ruotare l'intero pezzo di carta", dice Zhang. "Ma quello che abbiamo scoperto, in realtà, è che ha un nucleo, un dominio allineato localizzato su scala nanometrica, e questo dominio diventa sempre più grande. Date le condizioni corrette, questo dominio allineato potrebbe assumere l'intera dimensione del doppio strato." /P>

Sebbene i ricercatori abbiano ipotizzato che ciò possa accadere, non c'è stata alcuna visualizzazione diretta su scala atomica che dimostri o smentisca la teoria. Zhang e gli altri ricercatori, tuttavia, sono stati in grado di monitorare direttamente il movimento dei singoli atomi per vedere crescere il piccolo dominio allineato. Hanno inoltre osservato che le regioni allineate potrebbero formarsi a temperature relativamente basse, circa 200°C, nell'intervallo delle temperature di lavorazione tipiche per i dispositivi 2D.

Non ci sono telecamere abbastanza piccole e abbastanza veloci per catturare la dinamica atomica. Come è riuscita allora la squadra a visualizzare questo movimento atomo per atomo? La soluzione è davvero unica. Per prima cosa hanno incapsulato il doppio strato ritorto nel grafene, costruendo essenzialmente una piccola camera di reazione attorno ad esso, per osservare il doppio strato a risoluzione atomica mentre veniva riscaldato. L'incapsulamento da parte del grafene aiuta a mantenere gli atomi del doppio strato in posizione in modo che sia possibile osservare qualsiasi trasformazione strutturale anziché la distruzione del reticolo da parte degli elettroni ad alta energia del TEM.

Il doppio strato incapsulato è stato quindi inserito su un chip che poteva essere riscaldato e raffreddato rapidamente. Per catturare la rapida dinamica atomica, il campione è stato sottoposto a impulsi di calore di mezzo secondo tra 100 e 1000°C. Dopo ogni impulso, il team controllava dove si trovavano gli atomi utilizzando il TEM e quindi ripeteva il processo.

"Puoi effettivamente osservare il sistema mentre cambia, mentre gli atomi si sistemano da qualunque configurazione fossero stati inizialmente, alla configurazione energeticamente favorevole, in cui vogliono essere", spiega Huang. "Questo può aiutarci a comprendere sia la struttura iniziale così come viene fabbricata sia come si evolve con il calore."

Comprendere come avviene il riarrangiamento può aiutare a ottimizzare l'allineamento interfacciale su scala nanometrica. "È impossibile sottolineare quanto le persone siano entusiaste di questa sintonizzabilità", afferma Huang.

"La torsione macroscopica tra i due strati è un parametro davvero importante perché ruotando l'uno sull'altro, è possibile modificare effettivamente le proprietà dell'intero sistema. Ad esempio, se si ruota il grafene del materiale 2D di un angolo specifico, diventa superconduttore. Per alcuni materiali, se li ruoti, cambi la banda proibita che cambia il colore della luce che assorbe e l'energia luminosa che emette. Tutte queste cose cambiano alterando l'orientamento degli atomi tra gli strati."