Cristaux monocouches, étant souvent appelés cristaux 2D ou matériaux 2D, possèdent la caractéristique unique d'avoir une seule couche de structure atomique régulière. Et plus la structure est régulière, plus la qualité du cristal est élevée. Dans certains cas, la structure atomique est répétée à la perfection, mais la plupart du temps, comme c'est généralement le cas dans la nature, il y a des défauts.

Bisulfure de molybdène (MoS 2 ), un cristal noir qui ressemble à du graphite, est un exemple d'un cristal qui a une telle structure en couches dans laquelle des défauts peuvent être présents. "Les atomes dans la monocouche MoS 2 sont disposés en trois couches, comme un sandwich - une couche inférieure d'atomes de soufre, puis une couche d'atomes métalliques, et enfin une autre couche d'atomes de soufre, " dit Aleksandra Radenovic, le responsable du Laboratoire de biologie à l'échelle nanométrique de l'École d'ingénieurs de l'EPFL. "Mais parfois, il manque des atomes de soufre, ce qui conduit à des défauts de lacunes dans les cristaux. De tels défauts peuvent également être bénéfiques. Par exemple, ils catalysent la réaction de séparation de l'eau pour produire de l'hydrogène ou servent de sites cibles dans les détecteurs de biomolécules. C'est pourquoi nous nous intéressons à ces défauts, surtout dans leur comportement en liquide."

Radenovic, avec le postdoctorant Miao Zhang, Martina Lihter, ancien doctorat étudiant, et collaborateurs, MoS étudié 2 échantillons et développé une méthode pour cartographier ces types de défauts dans le liquide, permettant une meilleure compréhension des propriétés du matériau. En microscopie électronique, qui permet une visualisation directe des défauts avec une superbe résolution grâce à l'utilisation d'un faisceau d'électrons à haute énergie, un environnement sous vide est requis. « Les mesures dans le liquide sont toujours difficiles, " précise Radenovic. Pour pouvoir visualiser les sites de défauts dans le liquide, L'équipe du LBEN a adapté la modalité d'imagerie par microscopie optique appelée Point Accumulation in Nanoscale Topography, PEINTURE. L'ouvrage est récemment publié dans ACS Nano .

Faire la lumière sur les défauts

Parce que le MoS monocouche 2 le cristal n'est que de trois couches d'atomes minces, c'est presque transparent, qui permet aux scientifiques de l'observer à travers une fine lamelle de verre sur un microscope inversé. "Nous avons placé notre échantillon dans une solution aqueuse pour étudier l'activité des défauts en milieu liquide, " dit Lihter.

Les scientifiques ont ensuite utilisé des sondes thiol fluorescentes qui se lient spécifiquement aux lacunes de soufre. "En dirigeant un faisceau laser sur l'échantillon, nous sommes capables de voir directement une seule sonde qui s'est liée à un défaut et de localiser précisément sa position, " dit Zhang. Il s'avère qu'une telle liaison est réversible dans certaines conditions. En imaginant une telle liaison transitoire aléatoire au niveau des défauts sur une période de temps, comme une réminiscence de la stratégie PAINT, les scientifiques ont pu identifier et compter les défauts du cristal et quantifier ses imperfections, le tout à une échelle relativement grande. "De cette façon, nous avons également pu observer comment les défauts interagissaient avec leur environnement, " dit Zhang.

Modification des propriétés d'un matériau

Les lacunes en soufre ont pour conséquence de modifier les propriétés du matériau. MoS 2 est un matériau semi-conducteur utilisé pour fabriquer des puces pour appareils électroniques. Les expérimentations menées par l'équipe de Radenovic ne visaient donc pas seulement à cartographier les défauts, mais aussi d'étudier le comportement du matériau pour cicatriser les défauts. "Une structure atomique irrégulière modifie la façon dont les électrons se déplacent à l'intérieur d'un matériau et la mobilité des porteurs du matériau, " dit Radenovic. " Cela altère par conséquent ses propriétés. "

Alors que les scientifiques se sont concentrés sur MoS 2 pour cette étude, leur méthode est applicable à d'autres matériaux de la même famille (dichalcogénure de métal de transition) qui ont une structure atomique sandwich.