A présent, il est bien entendu que l'amincissement d'un matériau jusqu'à une épaisseur d'un seul atome peut modifier considérablement les propriétés physiques de ce matériau. Graphène, le matériau 2D le plus connu, a une résistance et une conductivité électrique inégalées, contrairement à sa forme en vrac comme le graphite. Les chercheurs ont commencé à étudier des centaines d'autres matériaux 2D à des fins électroniques, sentir, diagnostic précoce du cancer, le dessalement de l'eau et une foule d'autres applications. Maintenant, une équipe de chercheurs de Penn State du département de physique et du Center for Two-Dimensional and Layered Materials (2DLM) a développé un rapide, méthode optique non destructive pour l'analyse des défauts dans les matériaux bidimensionnels.

« Dans l'industrie des semi-conducteurs, par exemple, les défauts sont importants car vous pouvez contrôler les propriétés à travers les défauts, " a déclaré Mauricio Terrones, professeur de physique, science et génie des matériaux et chimie, État de Penn. "C'est ce qu'on appelle l'ingénierie des défauts. L'industrie sait comment contrôler les défauts et quels types sont bons pour les appareils."

Pour vraiment comprendre ce qui se passe dans un matériau 2D comme le disulfure de tungstène, qui a une seule couche de tungstène d'épaisseur atomique prise en sandwich entre deux couches atomiques de soufre, nécessiterait un microscope électronique à haute puissance capable de voir les atomes individuels et les trous, appelés postes vacants, où les atomes manquent.

"L'avantage de la microscopie électronique à transmission (MET) est que vous obtenez une image et vous pouvez voir directement ce qui se passe - vous obtenez des preuves directes, " a déclaré Bernd Kabius, membre du personnel scientifique du Materials Research Institute de Penn State, un expert en TEM et co-auteur de l'article paru le 28 avril dans la revue en ligne Avancées scientifiques .

Les inconvénients, selon Kabius, sont une possibilité accrue d'endommager le matériau 2D délicat, la préparation complexe requise de l'échantillon et le temps impliqué - une journée entière d'instrument pour imager un seul échantillon et une semaine ou plus pour interpréter les résultats. Pour ces raisons, et d'autres, les chercheurs aimeraient combiner la MET avec une autre méthode d'examen de l'échantillon plus simple et plus rapide.

La technique développée par Terrones et son équipe utilise une méthode optique, microscopie fluorescente, dans lequel un laser d'une longueur d'onde spécifique est braqué sur un échantillon et les électrons excités, poussé à un niveau d'énergie plus élevé, chacun émet un photon d'une longueur d'onde plus longue lorsque l'électron descend à un niveau d'énergie inférieur. La longueur d'onde, ou couleur de la lumière, peut être mesuré par spectroscopie et donne des informations sur le type de défaut et l'emplacement sur l'échantillon. Ces données apparaissent sous forme de pics sur un graphique, que l'équipe a ensuite corrélée à une confirmation visuelle sous le MET. Des calculs théoriques ont également permis de valider les résultats optiques. Une étape nécessaire du processus consiste à placer l'échantillon dans un porte-échantillon à température contrôlée, ou scène, et abaisser la température à 77 kelvin, près de 200 degrés C au-dessous de zéro. A cette température, les paires électron-trou qui produisent la fluorescence sont liées au défaut - dans le cas de ce travail un groupe de lacunes de soufre dans la couche supérieure du sandwich - et émettent un signal plus fort que les zones vierges du matériau.

"Pour la première fois, nous avons établi une relation directe entre la réponse optique et la quantité de défauts atomiques dans les matériaux bidimensionnels, " dit Victor Carozo, ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Terrones et premier auteur de l'ouvrage.

Terrones ajouté, "Pour l'industrie des semi-conducteurs, c'est une mesure rapide, une méthode optique non destructive pour évaluer les défauts dans les systèmes 2-D. L'important est que nous ayons pu corréler notre méthode optique avec le MET et aussi avec des simulations atomistiques. Je pense que cette méthode peut être très utile pour établir un protocole de caractérisation des matériaux cristallins 2-D."

Dans ce contexte, co-auteur Yuanxi Wang, chercheur postdoctoral au 2DLM et théoricien, ajoutée, "Nos calculs montrent que les électrons piégés par les lacunes émettent de la lumière à des longueurs d'onde différentes de l'émission des régions sans défaut. Les régions émettant de la lumière à ces longueurs d'onde peuvent facilement identifier les lacunes dans les échantillons."

Et Vincent Crespi, Professeur émérite de physique, Science et génie des matériaux et chimie, État de Penn, dit "Nous pouvons établir non seulement une corrélation empirique entre la présence de certains défauts et l'émission de lumière modifiée, mais aussi identifier la raison de cette corrélation grâce à des calculs de premiers principes."

Les applications de dispositifs qui pourraient être améliorées par ce travail incluent les membranes avec des tailles de pores sélectives pour éliminer le sel de l'eau ou pour le séquençage de l'ADN, la détection de gaz lorsque les molécules de gaz se lient à des lacunes spécifiques et le dopage de matériaux 2D, qui est l'ajout d'atomes étrangers pour améliorer les propriétés.