تصوير التغيرات الهيكلية في الكائنات ثنائية الأبعاد

تقترب الإلكترونيات المعتمدة على السيليكون من حدودها المادية، وهناك حاجة إلى مواد جديدة لمواكبة متطلبات التكنولوجيا الحالية. تتمتع المواد ثنائية الأبعاد بالعديد من الخصائص، بما في ذلك الموصلية الفائقة والمغناطيسية، وهي واعدة للاستخدام في الأنظمة الإلكترونية مثل الترانزستورات. ومع ذلك، من الصعب جدًا التحكم بدقة في خصائص هذه المواد.

في محاولة لفهم كيف ولماذا تأخذ الواجهات ثنائية الأبعاد الهياكل التي تقوم بها، طور الباحثون في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين طريقة لتصور إعادة الترتيب الناجم عن الحرارة للمواد ثنائية الأبعاد. الهياكل الانحيازية باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM).

وقد لاحظوا آلية جديدة وغير متوقعة لهذه العملية، حيث يتم زرع حبة جديدة داخل طبقة واحدة، والتي تم تشكيل هيكلها بواسطة الطبقة المجاورة. يتيح التحكم في الالتواء العياني بين الطبقات تحكمًا أكبر في خصائص النظام بأكمله.

هذا البحثبقيادة أستاذ علوم وهندسة المواد بينشين هوانغ وباحث ما بعد الدكتوراه ييتشاو تشانغ، تم نشرها مؤخرًا في المجلة. التقدم العلمي.

يقول تشانغ: “إن كيفية اتصال واجهات المشغل ببعضها البعض وبأي آلية تتغير إلى تكوين مختلف أمر مهم للغاية”. “هذا يتحكم في خصائص نظام الطبقة الثنائية بأكمله، مما يؤثر على سلوكه النانوي والمجهري.”

غالبًا ما تكون بنية وخصائص الطبقات المتعددة ثنائية الأبعاد غير متجانسة للغاية وتختلف بشكل كبير بين العينات وحتى داخل العينة الفردية. قد يكون لدى جهازين بدرجات قليلة من الالتواء بين الطبقات سلوكيات مختلفة. تتم إعادة هيكلة المواد ثنائية الأبعاد تحت تأثير المحفزات الخارجية مثل التسخين، والذي يحدث أثناء عملية تصنيع الأجهزة الإلكترونية.

يقول تشانغ: “عادة ما يفكر الناس في ورقتين من الورق في طبقتين ملتويتين بزاوية 45 درجة. يجب عليك تدوير الورقة بأكملها لمحاذاة الطبقات من الالتواء”. “لكن ما وجدناه في الواقع هو أنه يحتوي على نواة – مجال محاذٍ على المستوى النانوي – وهذا المجال ينمو بشكل أكبر وأكبر في الحجم. في ظل الظروف المناسبة، يمكن لهذا المجال المحاذي أن يشغل الحجم الكامل للطبقة الثنائية.”

وعلى الرغم من أن الباحثين يتوقعون أن هذا قد يحدث، إلا أنه لم يثبت أو يدحض هذه النظرية أي تصور مباشر على المقياس الذري. ومع ذلك، تمكن تشانغ وباحثون آخرون من مراقبة حركة الذرات الفردية بشكل مباشر لرؤية مجال صغير متوازي ينمو. ولاحظوا أيضًا أن المناطق المتوافقة يمكن أن تتشكل عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا، حوالي 200 درجة مئوية، في نطاق درجات حرارة المعالجة النموذجية للأجهزة ثنائية الأبعاد.

الكاميرات ليست صغيرة وسريعة بما يكفي لالتقاط الديناميكيات الذرية. كيف تمكن الفريق من تصور حركة الذرة والذرة والذرة؟ الحل فريد من نوعه. قاموا أولاً بربط الطبقة الثنائية الملتوية بالجرافين، مما أدى إلى إنشاء غرفة تفاعل صغيرة حولها، لمعرفة متى يتم تسخين الطبقة الثنائية عند الدقة الذرية. يساعد الارتباط عبر الجرافين على إبقاء ذرات الطبقة الثنائية في مكانها، بدلاً من تدمير الشبكة بواسطة إلكترونات TEM عالية الطاقة، بحيث يمكن ملاحظة أي تغيير هيكلي.

يتم بعد ذلك وضع الطبقة الثنائية المرفقة على شريحة يمكن تسخينها وتبريدها بسرعة. لالتقاط الديناميكيات الذرية السريعة، يتم تعريض العينة لنبضات حرارية مدتها نصف ثانية تتراوح بين 100-1000 درجة مئوية. بعد كل نبضة، ينظر الفريق إلى موقع الذرات باستخدام TEM ثم يكرر العملية.