Il y a cent ans, "2d" signifiait un centime, ou 1 pouce, ongle. Aujourd'hui, "2-D" englobe une large gamme de matériaux plats atomiquement minces, beaucoup avec des propriétés exotiques que l'on ne trouve pas dans les équivalents en vrac des mêmes matériaux, avec le graphène - la forme de carbone à un seul atome d'épaisseur - peut-être la plus importante. Alors que de nombreux chercheurs du MIT et d'ailleurs explorent les matériaux bidimensionnels et leurs propriétés spéciales, Françoise M. Ross, la professeure Ellen Swallow Richards en science et génie des matériaux, s'intéresse à ce qui se passe lorsque ces matériaux 2D et des matériaux 3D ordinaires se rencontrent.

"Nous nous intéressons à l'interface entre un matériau 2D et un matériau 3D car chaque matériau 2D que vous souhaitez utiliser dans une application, tel qu'un appareil électronique, doit encore parler au monde extérieur, qui est en trois dimensions, " dit Ross.

"Nous sommes à un moment intéressant car il y a d'immenses développements dans l'instrumentation pour la microscopie électronique, et il y a un grand intérêt pour les matériaux avec des structures et des propriétés très précisément contrôlées, et ces deux choses se croisent d'une manière fascinante, " dit Ross.

« Les opportunités sont très excitantes, " dit Ross. " Nous allons vraiment améliorer les capacités de caractérisation ici au MIT. " Ross se spécialise dans l'examen de la façon dont les matériaux à l'échelle nanométrique se développent et réagissent à la fois dans les gaz et les milieux liquides, en enregistrant des films en microscopie électronique. La microscopie des réactions dans les liquides est particulièrement utile pour comprendre les mécanismes des réactions électrochimiques qui régissent les performances des catalyseurs, piles, réservoirs de carburant, et d'autres technologies importantes. « Dans le cas de la microscopie en phase liquide, vous pouvez également regarder la corrosion où les choses se dissolvent, tandis que dans les gaz, vous pouvez regarder comment les cristaux individuels se développent ou comment les matériaux réagissent avec, dire, oxygène, " elle dit.

Ross a rejoint la faculté du Département de science et génie des matériaux (DMSE) l'année dernière, quitter le département d'analyse des matériaux à l'échelle nanométrique du centre de recherche IBM Thomas J. Watson. "J'ai énormément appris de mes collègues d'IBM et j'espère étendre nos recherches sur la conception et la croissance des matériaux dans de nouvelles directions, " elle dit.

Enregistrement de films

Lors d'une récente visite à son laboratoire, Ross a expliqué une configuration expérimentale donnée au MIT par IBM. Un système d'évaporateur à ultra-vide est arrivé en premier, à fixer plus tard directement sur un microscope électronique à transmission spécialement conçu. "Cela donne des possibilités puissantes, " explique Ross. " On peut mettre un échantillon sous vide, nettoie, faire toutes sortes de choses comme chauffer et ajouter d'autres matériaux, puis transférez-le sous vide dans le microscope, où nous pouvons faire plus d'expériences pendant que nous enregistrons des images. Afin que nous puissions, par exemple, déposer du silicium ou du germanium, ou évaporer des métaux, pendant que l'échantillon est dans le microscope et que le faisceau d'électrons le traverse, et nous enregistrons un film du processus."

En attendant ce printemps la mise en place du microscope électronique à transmission, membres du groupe de recherche de sept membres de Ross, y compris la science des matériaux et le postdoctorat en ingénierie Shu Fen Tan et l'étudiante diplômée Kate Reidy, fabriqué et étudié une variété de structures auto-assemblées. Le système d'évaporation était temporairement installé dans l'espace de prototypage de cinquième niveau du MIT.nano pendant que le laboratoire de Ross était en cours de préparation dans le bâtiment 13. « MIT.nano avait les ressources et l'espace ; nous étions heureux de pouvoir aider, " dit Anna Ocherov, MIT.nano directeur adjoint des services aux utilisateurs.

"Nous sommes tous intéressés par ce grand défi de la science des matériaux, c'est-à-dire :"Comment fabriquez-vous un matériau avec les propriétés que vous souhaitez et, en particulier, comment utilisez-vous les dimensions nanométriques pour modifier les propriétés, et créer de nouvelles propriétés, que vous ne pouvez pas obtenir à partir de matériaux en vrac ?", Dit Ross.

Grâce au système à ultra-vide, l'étudiante diplômée Kate Reidy a formé des structures d'or et de niobium sur plusieurs matériaux 2-D. "L'or aime se transformer en petits triangles, " note Ross. " Nous avons discuté avec des spécialistes de la physique et de la science des matériaux pour savoir quelles combinaisons de matériaux sont les plus importantes pour eux en termes de contrôle des structures et des interfaces entre les composants afin d'améliorer les propriétés de le matériel, " note-t-elle.

Shu Fen Tan a synthétisé des nanoparticules de nickel-platine et les a examinées à l'aide d'une autre technique, microscopie électronique à cellules liquides. Elle pouvait s'arranger pour que seul le nickel se dissolve, laissant derrière eux des squelettes hérissés de platine. " A l'intérieur de la cellule liquide, nous sommes capables de voir tout ce processus à des résolutions spatiales et temporelles élevées, " dit Tan. Elle explique que le platine est un métal noble et moins réactif que le nickel, ainsi, dans les bonnes conditions, le nickel participe à une réaction de dissolution électrochimique et le platine est laissé pour compte.

Le platine est un catalyseur bien connu dans la chimie organique et les matériaux pour piles à combustible, Notes bronzées, mais c'est cher aussi, il est donc souhaitable de trouver des combinaisons avec des matériaux moins coûteux tels que le nickel.

« Ceci est un exemple de la gamme de réactions de matériaux que vous pouvez imager au microscope électronique en utilisant la technique de la cellule liquide, " Ross dit. "Vous pouvez faire pousser des matériaux; vous pouvez les graver; tu peux regarder, par exemple, formation de bulles et mouvement des fluides."

Une application particulièrement importante de cette technique est d'étudier le cyclage des matériaux de batterie. "Évidemment, Je ne peux pas mettre une pile AA ici, mais vous pouvez mettre en place les matériaux importants à l'intérieur de cette très petite cellule liquide, puis vous pouvez faire un cycle d'avant en arrière et demander, si je charge et décharge 10 fois, ce qui se produit? Cela ne fonctionne pas aussi bien qu'avant, comment cela échoue-t-il ?", demande Ross. "Une sorte d'analyse de défaillance et toutes les étapes intermédiaires de charge et de décharge peuvent être observées dans la cellule liquide."

"Les expériences de microscopie où vous voyez chaque étape d'une réaction vous donnent une bien meilleure chance de comprendre ce qui se passe, " dit Ross.

Motifs moirés

L'étudiant diplômé Reidy s'intéresse à la façon de contrôler la croissance de l'or sur des matériaux 2D tels que le graphène, diséléniure de tungstène, et le bisulfure de molybdène. Quand elle a déposé de l'or sur du graphène "sale", gouttes d'or recueillies autour des impuretés. Mais quand Reidy a fait pousser de l'or sur du graphène qui avait été chauffé et nettoyé des impuretés, elle a trouvé des triangles d'or parfaits. Déposer de l'or sur les faces supérieure et inférieure du graphène propre, Reidy a vu au microscope des caractéristiques connues sous le nom de motifs moirés, qui sont causés lorsque les structures cristallines qui se chevauchent ne sont pas alignées.

Les triangles d'or peuvent être utiles comme structures photoniques et plasmoniques. « Nous pensons que cela pourrait être important pour de nombreuses applications, et il est toujours intéressant pour nous de voir ce qui se passe, " dit Reidy. Elle prévoit d'étendre sa méthode de croissance propre pour former des cristaux métalliques 3-D sur des matériaux 2-D empilés avec divers angles de rotation et d'autres structures à couches mixtes. Reidy s'intéresse aux propriétés du graphène et du nitrure de bore hexagonal ( hBN), ainsi que deux matériaux semi-conducteurs sous leur forme monocouche 2-D, le bisulfure de molybdène (MoS2) et le diséléniure de tungstène (WSe2). "Un aspect très intéressant dans la communauté des matériaux 2D est le contact entre les matériaux 2D et les métaux 3D, " dit Reidy. " S'ils veulent fabriquer un appareil semi-conducteur ou un appareil avec du graphène, le contact pourrait être ohmique pour le cas graphène ou un contact Schottky pour le cas semi-conducteur, et l'interface entre ces matériaux est vraiment, vraiment important."

"On peut aussi imaginer des appareils utilisant le graphène juste comme couche d'espacement entre deux autres matériaux, ", ajoute Ross.

Pour les fabricants d'appareils, Reidy dit qu'il est parfois important de faire croître un matériau 3-D avec son arrangement atomique parfaitement aligné avec l'arrangement atomique dans la couche 2-D en dessous. C'est ce qu'on appelle la croissance épitaxiale. Décrivant une image d'or cultivé avec de l'argent sur du graphène, Reidy explique, "Nous avons découvert que l'argent ne pousse pas par épitaxie, il ne fait pas ces monocristaux parfaits sur le graphène que nous voulions faire, mais en déposant d'abord l'or et ensuite l'argent autour de lui, nous pouvons presque forcer l'argent à prendre une forme épitaxiale parce qu'il veut se conformer à ce que font ses voisins de l'or."

Les images au microscope électronique peuvent également montrer des imperfections dans un cristal telles que des ondulations ou des courbures, Remarques de Reidy. "L'un des grands avantages de la microscopie électronique est qu'elle est très sensible aux changements dans l'arrangement des atomes, " dit Ross. " Vous pourriez avoir un cristal parfait et tout aurait la même nuance de gris, mais si vous avez un changement local dans la structure, même un changement subtil, la microscopie électronique peut le détecter. Même si le changement se situe juste dans les quelques couches supérieures d'atomes sans affecter le reste du matériau en dessous, l'image montrera des caractéristiques distinctives qui nous permettront de comprendre ce qui se passe."

Reidy explore également les possibilités de combiner le niobium - un métal supraconducteur à basse température - avec un isolant topologique 2D, tellurure de bismuth. Les isolants topologiques ont des propriétés fascinantes dont la découverte a abouti au prix Nobel de physique en 2016. « Si vous déposez du niobium sur du tellurure de bismuth, avec une très bonne interface, vous pouvez faire des jonctions supraconductrices. Nous avons étudié les dépôts de niobium, et plutôt que des triangles, nous voyons des structures plus dendritiques, " dit Reidy. Les structures dendritiques ressemblent aux motifs de givre qui se forment à l'intérieur des fenêtres en hiver, ou les motifs plumeux de certaines fougères. Changer la température et d'autres conditions pendant le dépôt de niobium peut changer les motifs que prend le matériau.

Tous les chercheurs attendent avec impatience l'arrivée de nouveaux microscopes électroniques au MIT.nano pour mieux comprendre le comportement de ces matériaux. "Beaucoup de choses vont se passer l'année prochaine, les choses s'accélèrent déjà, et j'ai des gens formidables avec qui travailler. Un nouveau microscope est actuellement installé au MIT.nano et un autre arrivera l'année prochaine. L'ensemble de la communauté verra ici les avantages des capacités améliorées de caractérisation en microscopie, " dit Ross.

Osherov de MIT.nano note que deux microscopes électroniques à transmission cryogénique (cryo-TEM) sont installés et fonctionnent. "Notre objectif est d'établir une communauté unique centrée sur la microscopie. Nous encourageons et espérons faciliter une pollinisation croisée entre les chercheurs cryo-EM, principalement axé sur les applications biologiques et les matériaux « mous », ainsi que d'autres communautés de recherche sur le campus, " dit-elle. Le dernier ajout d'un microscope électronique à transmission à balayage avec des capacités analytiques améliorées (monochromateur à ultra haute résolution d'énergie, Détecteur STEM 4-D, Détecteur Super-X EDS, tomographie, et plusieurs titulaires in situ) apportés par John Chipman, professeur agrégé de science et génie des matériaux James M. LeBeau, une fois installé, améliorera considérablement les capacités de microscopie du campus du MIT. "Nous considérons le professeur Ross comme une immense ressource pour nous conseiller sur la façon de façonner l'approche in situ des mesures à l'aide de l'instrumentation avancée qui sera partagée et disponible pour tous les chercheurs au sein de la communauté du MIT et au-delà, " dit Osherov.

Petites pailles à boire

"Parfois, vous savez plus ou moins ce que vous allez voir lors d'une expérience de croissance, mais très souvent il y a quelque chose à quoi on ne s'attend pas, " dit Ross. Elle montre un exemple de nanofils d'oxyde de zinc qui ont été développés à l'aide d'un catalyseur au germanium. Certains des longs cristaux ont un trou en leur centre, créer des structures qui sont comme de petites pailles à boire, extérieur circulaire mais avec un intérieur de forme hexagonale. "C'est un monocristal d'oxyde de zinc, et la question intéressante pour nous est pourquoi les conditions expérimentales créent-elles ces facettes à l'intérieur, tandis que l'extérieur est lisse ?", demande Ross. "Les nanostructures d'oxyde métallique ont tellement d'applications différentes, et chaque nouvelle structure peut présenter des propriétés différentes. En particulier, en passant à l'échelle nanométrique, vous avez accès à un ensemble diversifié de propriétés."

"Finalement, nous aimerions développer des techniques pour faire croître des structures bien définies à partir d'oxydes métalliques, surtout si on peut contrôler la composition à chaque endroit de la structure, " dit Ross. Une clé de cette approche est l'auto-assemblage, où le matériau s'intègre dans la structure que vous souhaitez sans avoir à modifier individuellement chaque composant. "L'auto-assemblage fonctionne très bien pour certains matériaux mais le problème est qu'il y a toujours une certaine incertitude, certains aléas ou fluctuations. Il y a un mauvais contrôle sur les structures exactes que vous obtenez. Donc l'idée est d'essayer de comprendre suffisamment l'auto-assemblage pour pouvoir le contrôler et obtenir les propriétés que vous voulez, " dit Ross.

"Nous devons comprendre comment les atomes finissent là où ils sont, puis utiliser cette capacité d'auto-assemblage des atomes pour créer une structure que nous voulons. La façon de comprendre comment les choses s'auto-assemblent est de les regarder le faire, et cela nécessite des films avec une haute résolution spatiale et une bonne résolution temporelle, " explique Ross. La microscopie électronique peut être utilisée pour acquérir des informations structurelles et de composition et peut même mesurer les champs de contrainte ou les champs électriques et magnétiques. " Imaginez enregistrer toutes ces choses, mais dans un film où vous contrôlez également la croissance des matériaux dans le microscope. Une fois que vous avez filmé quelque chose qui se passe, vous analysez toutes les étapes du processus de croissance et l'utilisez pour comprendre quels principes physiques ont été les principes clés qui ont déterminé comment la structure s'est nucléée et a évolué et s'est terminée comme elle le fait. "

Directions futures

Ross espère apporter une haute résolution unique, MET sous vide poussé avec des capacités pour imager la croissance des matériaux et d'autres processus dynamiques. Elle a l'intention de développer de nouvelles capacités pour les environnements à base d'eau et de gaz. Ce microscope personnalisé est encore en phase de planification mais sera situé dans l'une des salles de la suite d'imagerie du MIT.nano.

« Le professeur Ross est un pionnier dans ce domaine, " dit Osherov. " La majorité des études MET à ce jour ont été statiques, plutôt que dynamique. Avec des mesures statiques, vous observez un échantillon à un instantané particulier dans le temps, donc vous n'obtenez aucune information sur la façon dont il a été formé. En utilisant des mesures dynamiques, vous pouvez regarder les atomes sauter d'un état à l'autre jusqu'à ce qu'ils trouvent la position finale. La capacité d'observer les processus d'auto-assemblage et la croissance en temps réel fournit des informations mécanistiques précieuses. Nous sommes impatients d'apporter ces fonctionnalités avancées à MIT.nano", déclare-t-elle.

« Une fois qu'une certaine technique est diffusée au public, il attire l'attention, " dit Osherov. " Lorsque les résultats sont publiés, les chercheurs élargissent leur vision de la conception expérimentale en se basant sur les capacités de pointe disponibles, menant à de nombreuses nouvelles expériences qui seront axées sur des applications dynamiques."

Les chambres du MIT.nano disposent de l'espace le plus calme du campus du MIT, conçu pour réduire les vibrations et les interférences électromagnétiques à un niveau aussi bas que possible. "Il y a un espace disponible pour le professeur Ross pour poursuivre ses recherches et les développer davantage, " dit Osherov. " La capacité de surveiller in situ la formation de matière et d'interfaces trouvera des applications dans de multiples domaines à travers le campus, et conduire à une nouvelle poussée des limites de la microscopie électronique conventionnelle."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.