Une erreur d'instrument peut conduire à une identification erronée complète de certains cristaux, rapporte une étude KAUST qui suggère que les chercheurs doivent faire preuve de prudence lorsqu'ils utilisent des microscopes électroniques pour sonder des semi-conducteurs bidimensionnels (2-D).

Les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) 2-D sont exploités pour de nouveaux dispositifs électroniques, car ils peuvent exister dans plusieurs phases cristallines avec des propriétés allant de semi-conductrices à métalliques. Les chercheurs utilisent plusieurs outils pour démêler les relations structure-propriété dans différentes phases TMD, mais l'un des plus critiques est le microscope électronique à balayage à transmission. Cet instrument est capable à la fois de résoudre des atomes sur des surfaces et de les identifier chimiquement en utilisant des variations de contraste d'image.

Areej Aljarb, un scientifique des matériaux travaillant dans le groupe de Vincent Tung à KAUST, caractérisait récemment les TMD à base de bisulfure de molybdène (MoS 2 ) quand elle a repéré quelque chose de troublant. Bien que l'analyse spectroscopique initiale ait montré qu'elle avait produit des films semi-conducteurs 2-D, les images au microscope électronique à transmission ont indiqué que MoS 2 s'était arrangé en une phase cristalline métallique.

Pour résoudre cette différence, l'équipe a fait appel à Sergei Lopatin, un expert en microscopie. Ensemble, ils ont remarqué que les faisceaux d'électrons émanant de leurs instruments de pointe avaient des schémas d'intensité inhabituels lorsqu'ils ont contacté la surface du TMD. Au lieu des formes sphériques attendues, les profils d'intensité du faisceau semblaient triangulaires. "C'était la preuve évidente d'un problème de focalisation de l'image appelé astigmatisme, " note Lopatin.

Les lentilles utilisées pour focaliser les faisceaux du microscope électronique contiennent toujours de petites imperfections qui peuvent brouiller les images, en particulier à des résolutions à l'échelle atomique. L'équipe s'est rendu compte que les effets astigmates observés pourraient avoir un impact sur le contraste des atomes apparaissant à la surface. En corrélant les simulations informatiques du MoS 2 surface avec microscopie expérimentale, ils ont vu plusieurs cas où les phases cristallines pouvaient être mal identifiées en raison des atomes de soufre changeant d'apparence - et même disparaissant - pendant l'imagerie.

"Le contraste atomique peut être un outil puissant pour déduire les phases cristallines, mais ces artefacts érodent les fondements de telles prédictions, ", dit Tung. "Cela soulève la possibilité qu'il y ait peut-être déjà eu de nombreuses images de TMD 2-D affectées par l'astigmatisme."

Expériences sur d'autres surfaces 2D, dont le graphène, ont confirmé que de fausses phases peuvent être observées dans une gamme de matériaux. Les chercheurs ont démontré que ces effets pouvaient être atténués en utilisant des faisceaux dans lesquels les électrons sont presque tous énergétiquement équivalents.

« La microscopie électronique à transmission à balayage est inestimable pour l'imagerie de la structure cristalline des matériaux 2D ; cependant, nous devons être conscients des artefacts d'imagerie car les ignorer peut conduire à des allégations scientifiquement fausses, " dit Aljarb.

L'étude est publiée dans Avancées scientifiques .