Наука

Двумерные (2D) материалы представляют собой всего лишь один или несколько слоев атомов толщиной. Эти материалы часто обладают экзотическими свойствами, которые могут быть полезны для технологий следующего поколения. Когда слои этих материалов накладываются друг на друга, возникающими электронными свойствами можно манипулировать, например, скручивая слои относительно друг друга. Чтобы полностью понять эти свойства и соотнести их с углом поворота, ученым нужны передовые методы микроскопии. Исследователи разработали новый режим работы для метода интерферометрической четырехмерной сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии (4D-STEM). Этот специальный метод позволяет исследователям измерять структурные искажения атомного масштаба, угол закручивания и межслоевые расстояния, которые влияют на уникальные электронные свойства слоистых 2D-материалов.

Влияние

Многослойные 2D-материалы обладают особыми свойствами, которые могут вывести технологию за пределы существующих возможностей. Например, они могут привести к созданию более быстрых и энергоэффективных компьютеров или более надежному хранению электроэнергии. Отдельные слои, из которых состоят эти материалы, могут быть ориентированы по-разному. Это создает проблемы в полном понимании их трехмерных атомных структур с помощью существующих методов микроскопии. Интерферометрический 4D-STEM может выявить относительное положение атомов внутри отдельных слоев сложенных и скрученных 2D-материалов. Эта технология открывает возможности для проектирования и разработки материалов с полезными свойствами.

Краткое содержание

Слоистые 2D-материалы привлекли значительное внимание благодаря своим интересным электронным свойствам, которые можно модифицировать, изменяя угол закручивания двухслойных материалов, последовательность укладки трехслойных материалов или другие факторы. Чтобы полностью понять и контролировать свойства этих материалов, исследователям необходимо изучить их атомные структуры. Однако визуализация атомной структуры малослойных материалов часто является сложной задачей с использованием традиционных методов микроскопии, например, при работе с материалами, состоящими из легких элементов, или когда необходима трехмерная информация. Исследователям нужны новые методы для повышения точности и локального измерения искажений и межслоевых расстояний в скрученных материалах, состоящих из двух или трех слоев, особенно когда они содержат легкие элементы или большие углы скручивания.

Исследователи разработали новый интерферометрический метод 4D-STEM, который может предоставлять информацию о локальных структурных деформациях внутри слоев, направлении и величине скручивания между слоями, а также межслоевых расстояниях для малослойных 2D-материалов. Этот новый режим работы 4D-STEM по-прежнему основан на брэгговской интерферометрии, но использует расфокусированный электронный зонд для непосредственного предоставления информации об относительных положениях атомов внутри отдельных слоев, как показано в этом исследовании на двухслойном и трехслойном графене. Этот метод проливает новый свет на взаимодействие между электронными свойствами и точным структурным расположением многослойных 2D-материалов.

Финансирование

Исследование было поддержано Центром наук о нанофазных материалах, пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США, а также Программой премий за раннюю карьеру Министерства науки Министерства энергетики США. Дополнительную поддержку оказали Европейский исследовательский совет и ресурсы Венского научного кластера.