Написано AZoNano 12 февраля 2020 ]

Исследователи материаловедения из Школы инженерии Маккормика Северо-Западного университета разработали методику наблюдения за динамическим движением атомов в атомарно тонких двумерных (2D) материалах.

Новый метод визуализации, который демонстрирует фундаментальную причину, ответственную за сбой производительности широко используемого 2D-материала, может помочь ученым создавать более надежные и стабильные материалы для будущих гибких электронных устройств и носимых устройств.

Эти двумерные материалы, а именно борофен и графен, представляют собой группу однослойных кристаллических материалов, которые имеют большой потенциал в качестве полупроводников в гибкой и ультратонкой электронике следующего поколения.

Тем не менее, тонкая природа этих материалов делает их чрезвычайно восприимчивыми к внешним настройкам, и, в результате, они изо всех сил пытались продемонстрировать долговременную надежность и стабильность при использовании в электронных устройствах.

Атомно тонкие двумерные материалы дают возможность значительно уменьшить электронные устройства, что делает их привлекательным вариантом для питания будущей носимой и гибкой электроники

Винаяк Дравид, профессор Авраама Харриса, факультет материаловедения и инженерии, Школа Маккормик, Северо-Западный университет

Исследование, озаглавленное «Прямая визуализация структурной динамики, вызванной электрическим полем в дихалькогенидах переходных металлов в монослое», было опубликовано в журнале ACS Nano 11 февраля ^th 2020.

Автором исследования является Винаяк Дравид. В исследовании также участвовал Крис Вулвертон, профессор кафедры материаловедения и инженерии им. Джерома Б. Коэна

.

« К сожалению, электронные устройства теперь работают как своего рода« черный ящик ». Хотя метрики устройства могут быть измерены, движение отдельных атомов в материалах, ответственных за эти свойства, неизвестно, что значительно ограничивает усилия по улучшению выступление », – заявил Дравид.

Дравид является директором Центра атомной и наноразмерной характеристики Северо-Западного университета (NUANCE). Исследование дает возможность выйти за рамки этого ограничения, с новым пониманием структурной динамики, связанной с 2D материалами, получающими электрический ток.

Основываясь на более раннем исследовании, в котором ученые использовали метод наноразмерной визуализации для визуализации теплового разрушения в 2D материалах, команда использовала технику визуализации в атомном масштабе с высоким разрешением, известную как электронная микроскопия, для просмотра движения атомов в дисульфид молибдена (MoS ₂ ). MoS ₂ – это материал с широкими исследованиями, который первоначально использовался в качестве сухой смазки в фрикционных материалах и смазках; эта сухая смазка недавно была в центре внимания благодаря своим оптическим и электронным свойствам.

При подаче электрического тока на материал, ученые заметили, что очень подвижные атомы серы в этом материале всегда перемещаются в пустые области внутри кристаллического материала, явление, которое команда называла «атомный танец».

Это движение атомов заставило границы зерен MoS ₂ разделиться и образовать узкие каналы для прохождения электрического тока. Границы зерна – это естественные дефекты, возникающие в пространстве, где встречается пара кристаллитов внутри материала.

Поскольку эти границы зерен разделяются, у вас остается только пара узких каналов, в результате чего плотность электрического тока через эти каналы увеличивается. Это приводит к более высокой плотности мощности и более высоким температурам в этих областях, что в конечном итоге приводит к выходу из строя материала .

Акшай Мурти, ведущий автор и аспирант, кафедра материаловедения и инженерии, Северо-Западный университет

Мурти является частью команды Дравида.

« Мощно иметь возможность точно видеть, что происходит в таком масштабе », – продолжил Мурти. « Используя традиционные методы, мы могли приложить электрическое поле к образцу и увидеть изменения в материале, но мы не могли увидеть, что вызвало эти изменения. Если вы не знаете причину, трудно устранить механизмы отказа или предотвратить дальнейшее поведение ».

С помощью этого новейшего метода для анализа 2D материалов на атомном уровне исследователи полагают, что исследователи могут применять эту технику визуализации для производства материалов, которые с меньшей вероятностью выходят из строя в электронных устройствах.

Например, в устройствах памяти ученые могут визуализировать, как области, в которых хранятся данные, возникают при подаче электрического тока, и адаптировать способы разработки таких материалов для повышения производительности.

Этот метод может даже помочь расширить ряд других технологий, таких как светодиоды (светодиоды) в бытовой электронике, транзисторы в биоэлектронике и фотоэлектрические элементы, интегрированные с солнечными панелями.

Мы считаем, что разработанная нами методика мониторинга поведения 2D-материалов в этих условиях поможет исследователям преодолеть текущие проблемы, связанные со стабильностью устройства. Это продвижение приближает нас на один шаг к перемещению этих технологий из лаборатории на рынок .

Акшай Мурти, ведущий автор и аспирант, кафедра материаловедения и инженерии, Северо-Западный университет

Источник: https://www.mccormick.northwestern.edu/