Dans les années récentes, les ingénieurs ont trouvé des moyens de modifier les propriétés de certains matériaux « bidimensionnels », qui n'ont qu'un ou quelques atomes d'épaisseur, en empilant deux couches ensemble et en faisant légèrement pivoter l'une par rapport à l'autre. Cela crée ce que l'on appelle des motifs moirés, où de minuscules décalages dans l'alignement des atomes entre les deux feuilles créent des motifs à plus grande échelle. Il modifie également la façon dont les électrons se déplacent à travers le matériau, de manière potentiellement utile.

Mais pour des applications pratiques, de tels matériaux bidimensionnels doivent à un moment donné se connecter au monde ordinaire des matériaux 3-D. Une équipe internationale dirigée par des chercheurs du MIT a maintenant trouvé un moyen d'imaginer ce qui se passe à ces interfaces, jusqu'au niveau des atomes individuels, et de corréler les motifs de moirage à la limite 2-D-3-D avec les changements résultants dans les propriétés du matériau.

Les nouvelles découvertes sont décrites aujourd'hui dans la revue Communication Nature , dans un article des étudiants diplômés du MIT Kate Reidy et Georgios Varnavides, professeurs de science et d'ingénierie des matériaux Frances Ross, Jim LeBeau, et Polina Anikeeva, et cinq autres au MIT, Université de Harvard, et l'Université de Victoria au Canada.

Des paires de matériaux bidimensionnels tels que le graphène ou le nitrure de bore hexagonal peuvent présenter des variations étonnantes dans leur comportement lorsque les deux feuilles sont légèrement tordues l'une par rapport à l'autre. Cela fait que les réseaux atomiques en fil de fer forment des motifs moirés, les types de bandes et de taches étranges qui apparaissent parfois lors de la prise de vue d'une image imprimée, ou à travers une moustiquaire. Dans le cas des matériaux 2D, "ça ressemble à n'importe quoi, toutes les propriétés de matériaux intéressantes auxquelles vous pouvez penser, vous pouvez en quelque sorte moduler ou changer en tordant les matériaux 2D les uns par rapport aux autres, " dit Ross, qui est le professeur Ellen Swallow Richards au MIT.

Alors que ces appariements 2D ont attiré l'attention des scientifiques dans le monde entier, elle dit, on sait peu de choses sur ce qui se passe lorsque des matériaux 2D rencontrent des solides 3D réguliers. « Qu'est-ce qui nous a intéressé à ce sujet ? " Ross dit, était "ce qui se passe lorsqu'un matériau 2D et un matériau 3D sont assemblés. Premièrement, comment mesurez-vous les positions atomiques à, et près, L'interface? Deuxièmement, quelles sont les différences entre une interface 3-D-2-D et une interface 2-D-2-D ? Et troisièmement, comment pouvez-vous le contrôler ? Existe-t-il un moyen de concevoir délibérément la structure interfaciale" pour produire les propriétés souhaitées ?

Déterminer exactement ce qui se passe à de telles interfaces 2-D-3-D était un défi de taille car les microscopes électroniques produisent une image de l'échantillon en projection, et ils sont limités dans leur capacité à extraire les informations de profondeur nécessaires pour analyser les détails de la structure de l'interface. Mais l'équipe a découvert un ensemble d'algorithmes qui leur ont permis d'extrapoler à partir des images de l'échantillon, qui ressemblent un peu à un ensemble d'ombres superposées, pour déterminer quelle configuration de couches empilées produirait cette « ombre » complexe.

L'équipe a utilisé deux microscopes électroniques à transmission uniques au MIT qui permettent une combinaison de capacités inégalée dans le monde. Dans l'un de ces instruments, un microscope est connecté directement à un système de fabrication afin que les échantillons puissent être produits sur place par des processus de dépôt et immédiatement introduits directement dans le système d'imagerie. C'est l'une des rares installations de ce type dans le monde, qui utilisent un système à ultravide qui empêche même la plus petite des impuretés de contaminer l'échantillon pendant la préparation de l'interface 2-D-3-D. Le deuxième instrument est un microscope électronique à balayage à transmission situé dans le nouveau centre de recherche du MIT, MIT.nano. Ce microscope a une stabilité exceptionnelle pour l'imagerie haute résolution, ainsi que plusieurs modes d'imagerie pour collecter des informations sur l'échantillon.

Contrairement aux matériaux 2D empilés, dont les orientations peuvent être modifiées relativement facilement en ramassant simplement une couche, en le tordant légèrement, et le reposer à nouveau, les liens qui maintiennent les matériaux 3-D ensemble sont beaucoup plus forts, l'équipe a donc dû développer de nouvelles façons d'obtenir des couches alignées. Pour faire ça, ils ont ajouté le matériau 3-D sur le matériau 2-D sous ultravide, choisir des conditions de croissance où les couches s'auto-assemblent dans une orientation reproductible avec des degrés de torsion spécifiques. "Nous devions développer une structure qui allait être alignée d'une certaine manière, " dit Reidy.

Après avoir fait pousser les matériaux, il leur a alors fallu trouver comment révéler les configurations et orientations atomiques des différentes couches. Un microscope électronique à balayage à transmission produit en fait plus d'informations qu'il n'en est apparent dans une image plate; En réalité, chaque point de l'image contient des détails sur les chemins le long desquels les électrons sont arrivés et sont partis (le processus de diffraction), ainsi que toute énergie perdue par les électrons au cours du processus. Toutes ces données peuvent être séparées de sorte que les informations à tous les points d'une image puissent être utilisées pour décoder la structure solide réelle. Ce processus n'est possible que pour les microscopes de pointe, comme celui de MIT.nano, qui génère une sonde d'électrons inhabituellement étroite et précise.

Les chercheurs ont utilisé une combinaison de techniques appelées STEM 4-D et un contraste de phase différentiel intégré pour réaliser ce processus d'extraction de la structure complète à l'interface de l'image. Puis, Varnavides dit, ils ont demandé, "Maintenant que nous pouvons imaginer la structure complète à l'interface, qu'est-ce que cela signifie pour notre compréhension des propriétés de cette interface ?" Les chercheurs ont montré à travers la modélisation que les propriétés électroniques devraient être modifiées d'une manière qui ne peut être comprise que si la structure complète de l'interface est incluse dans la théorie physique. "Ce que nous avons trouvé, c'est qu'en effet cet empilement, la façon dont les atomes sont empilés hors du plan, module les propriétés électroniques et de densité de charge, " il dit.

Ross dit que les résultats pourraient aider à améliorer les types de jonctions dans certaines micropuces, par exemple. "Chaque matériau 2D utilisé dans un appareil doit exister dans le monde 3D, et donc il doit avoir une jonction d'une manière ou d'une autre avec des matériaux tridimensionnels, " dit-elle. Alors, avec cette meilleure compréhension de ces interfaces, et de nouvelles façons de les étudier en action, "nous sommes en bonne forme pour fabriquer des structures avec des propriétés souhaitables de manière planifiée plutôt qu'ad hoc."

"La méthodologie utilisée a le potentiel de calculer à partir des schémas de diffraction locaux acquis la modulation de la quantité de mouvement locale des électrons, " il dit, ajoutant que "la méthodologie et la recherche présentées ici ont un avenir exceptionnel et un grand intérêt pour la communauté des sciences des matériaux".

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.