Cette animation affiche un scan de flocons en forme de flèche d'un matériau 2D. Les échantillons ont été scannés à travers leur énergie électronique, élan, et les coordonnées horizontales et verticales à l'aide d'une technique basée sur les rayons X connue sous le nom de nanoARPES à la source de lumière avancée de Berkeley Lab. Le rouge représente l'intensité la plus élevée mesurée, suivi de l'orange, jaune, vert, bleu, et violet (le moins intense). Crédit :Roland Koch/Berkeley Lab
Rien n'est parfait, ou c'est ce que dit le proverbe, et ce n'est pas toujours une mauvaise chose. Dans une étude menée au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie, les scientifiques ont appris comment les défauts à l'échelle nanométrique peuvent améliorer les propriétés d'un ultramince, matériau dit 2-D.
Ils ont combiné une boîte à outils de techniques pour se concentrer sur le naturel, défauts à l'échelle nanométrique formés dans la fabrication de minuscules flocons d'un matériau monocouche connu sous le nom de disulfure de tungstène (WS2) et mesuré leurs effets électroniques en détail impossible auparavant.
"Habituellement, on dit que les défauts sont mauvais pour un matériau, " a déclaré Christoph Kastl, chercheur postdoctoral à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab et auteur principal de l'étude, publié dans la revue ACS Nano . "Ici, ils fournissent des fonctionnalités."
Le disulfure de tungstène est un matériau 2-D bien étudié qui, comme les autres matériaux 2D de ce type, présente des propriétés spéciales en raison de sa minceur atomique. Il est particulièrement réputé pour son efficacité d'absorption et d'émission de lumière, et c'est un semi-conducteur.
Les membres de cette famille de matériaux 2D pourraient servir de transistors informatiques à haut rendement et d'autres composants électroniques, et ils sont également des candidats de choix pour une utilisation en ultramince, cellules solaires à haut rendement et éclairage LED, ainsi que dans les ordinateurs quantiques.
Ces matériaux 2-D pourraient également être incorporés dans de nouvelles formes de stockage de mémoire et de transfert de données, comme la spintronique et la valleytronics, qui révolutionnerait l'électronique en utilisant des matériaux de nouvelles façons pour fabriquer des appareils plus petits et plus efficaces.
Le dernier résultat marque la première étude approfondie à la source de lumière avancée (ALS) du laboratoire impliquant une technique appelée nanoARPES, que les chercheurs se sont enrôlés pour sonder les échantillons 2-D avec des rayons X. Les rayons X ont détruit les électrons de l'échantillon, permettant aux chercheurs de mesurer leur direction et leur énergie. Cela a révélé des défauts à l'échelle nanométrique et la façon dont les électrons interagissent les uns avec les autres.
La capacité nanoARPES est logée dans une ligne de faisceaux de rayons X, lancé en 2016, connu sous le nom de MAESTRO (Observatoire des structures microscopiques et électroniques). C'est l'une des dizaines de lignes de lumière spécialisées de l'ALS, qui produit de la lumière sous différentes formes - de l'infrarouge aux rayons X - pour une variété d'expériences simultanées.
"C'est une très grande avancée pour obtenir cette structure électronique à petite échelle de longueur, " dit Eli Rotenberg, un scientifique senior de l'ALS qui a joué un rôle moteur dans le développement de MAESTRO et a été l'un des chefs de file de l'étude. « Cela compte pour les vrais appareils. »
L'équipe a également fait appel à une technique connue sous le nom de XPS (spectroscopie photoélectronique à rayons X) pour étudier la composition chimique d'un échantillon à très petite échelle; une forme d'AFM (microscopie à force atomique) pour visualiser les détails structurels approchant l'échelle atomique ; et une forme combinée de spectroscopie optique (spectroscopie Raman/photoluminescence) pour étudier comment la lumière interagit avec les électrons à l'échelle du microscope.
Les différentes techniques ont été appliquées à la Fonderie Moléculaire, où le matériau a été synthétisé, et à l'ALS. L'échantillon utilisé dans l'étude contenait des éléments microscopiques, flocons à peu près triangulaires, chacun mesurant environ 1 à 5 microns (millionièmes de mètre) de diamètre. Ils ont été cultivés sur des cristaux de dioxyde de titane à l'aide d'un processus de stratification conventionnel connu sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur, et les défauts étaient largement concentrés sur les bords des éclats, une signature du processus de croissance. La plupart des expériences se sont concentrées sur un seul flocon de disulfure de tungstène.
Cette image montre une illustration de la structure atomique d'un matériau 2D appelé disulfure de tungstène. Les atomes de tungstène sont représentés en bleu et les atomes de soufre sont représentés en jaune. L'image de fond, prises par un microscope électronique à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, montre des groupements de flocons du matériau (gris foncé) cultivés par un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur sur une couche de dioxyde de titane (gris clair). Crédit :Katherine Cochrane/Laboratoire de Berkeley
Adam Schwartzberg, un scientifique de la Molecular Foundry qui a été co-responsable de l'étude, mentionné, "Il a fallu une combinaison de plusieurs types de techniques pour cerner ce qui se passe vraiment."
Il ajouta, "Maintenant que nous savons quels défauts nous avons et quel effet ils ont sur les propriétés du matériau, nous pouvons utiliser ces informations pour réduire ou éliminer les défauts - ou si vous voulez le défaut, cela nous donne un moyen de savoir où sont les défauts, " et fournit de nouvelles informations sur la façon de propager et d'amplifier les défauts dans le processus de production d'échantillons.
Alors que la concentration des défauts de bord dans les éclats WS2 était généralement connue avant la dernière étude, Schwartzberg a déclaré que leurs effets sur les performances des matériaux n'avaient pas été étudiés auparavant de manière aussi complète et détaillée.
Les chercheurs ont appris qu'une carence de 10 pour cent en atomes de soufre était associée aux régions de bord défectueuses des échantillons par rapport à d'autres régions, et ils ont identifié un plus léger, Carence de 3 pour cent en soufre vers le centre des flocons. Les chercheurs ont également noté un changement dans la structure électronique et une plus grande abondance de porteurs de charge électriques se déplaçant librement associés aux zones de bord à haut défaut.
Pour cette étude, les défauts étaient dus au processus de croissance de l'échantillon. Les futures études nanoARPES se concentreront sur des échantillons présentant des défauts induits par un traitement chimique ou d'autres traitements. Les chercheurs espèrent contrôler la quantité et les types d'atomes affectés, et les emplacements où ces défauts sont concentrés dans les flocons.
Ces petits ajustements pourraient être importants pour des processus comme la catalyse, qui est utilisé pour améliorer et accélérer de nombreux processus de production chimique industrielle importants, et explorer les processus quantiques qui reposent sur la production de particules individuelles qui servent de supports d'information en électronique.
Cette séquence d'images montre une variété d'intensités d'énergie (blanc et jaune) sur les bords d'un matériau 2D connu sous le nom de disulfure de tungstène, mesurée par différentes techniques :intensité de la photoluminescence (extrême gauche); carte de différence de potentiel de contact (deuxième à partir de la gauche) ; intensité d'émission d'excitons (troisième à partir de la gauche) - les excitons sont des paires consistant en un électron et son homologue quasiparticulaire, appelé un trou; intensité d'émission de trions (extrême droite) - les trions sont des groupes de trois quasiparticules chargées constituées soit de deux électrons et d'un trou, soit de deux trous et d'un électron). Crédit :Christoph Kastl/Berkeley Lab
Parce que la recherche sur WS2 et les matériaux 2-D associés en est encore à ses balbutiements, il existe de nombreuses inconnues sur les rôles que jouent certains types de défauts dans ces matériaux, et Rotenberg a noté qu'il existe un monde de possibilités pour ce qu'on appelle « l'ingénierie des défauts » dans ces matériaux.
En outre, Le nanoARPES de MAESTRO a la capacité d'étudier les structures électroniques d'empilements de différents types de couches de matériaux 2D. Cela peut aider les chercheurs à comprendre comment leurs propriétés dépendent de leur disposition physique, et d'explorer des dispositifs de travail qui incorporent des matériaux 2D.
"La petite échelle sans précédent des mesures - approchant actuellement les 50 nanomètres - fait du nanoARPES un formidable outil de découverte qui sera particulièrement utile pour comprendre les nouveaux matériaux au fur et à mesure de leur invention, " a déclaré Rotenberg.
MAESTRO fait partie des lignes prioritaires à moderniser dans le cadre du projet ALS Upgrade (ALS-U) du Lab, une entreprise majeure qui produira encore plus lumineux, des faisceaux de lumière plus concentrés pour les expériences. "Le projet ALS-U améliorera encore les performances de la technique nanoARPES, " Rotenberg a dit, "rend ses mesures 10 à 30 fois plus efficaces et améliore considérablement notre capacité à atteindre des échelles de longueur encore plus courtes."
NanoARPES pourrait jouer un rôle important dans le développement de nouvelles technologies solaires, car il permet aux chercheurs de voir comment les variations à l'échelle nanométrique de la composition chimique, nombre de défauts, et d'autres caractéristiques structurelles affectent les électrons qui régissent finalement leurs performances. Ces mêmes problèmes sont importants pour de nombreux autres matériaux complexes, comme les supraconducteurs, aimants, et thermoélectriques - qui convertissent la température en courant et vice versa - donc les nanoARPES seront également très utiles pour ceux-ci.
