Сто лет назад, “2Д” означало две копейки, или 1-дюймовый гвоздь. Сегодня, “2-Д” охватывает широкий спектр атомарно тонких плоских материалов с необычными свойствами не нашли в основной массе эквивалентов из тех же материалов, с графена — один атом толстый форма углерода — пожалуй, самый известный. Хотя многие исследователи в Массачусетском технологическом институте и в других местах исследования двумерных материалов и их особые свойства, Фрэнсис М. Росс, Эллен глотать Ричардс-профессор материаловедения и инженерии, интересует то, что происходит, когда этих 2-х материалов и простых 3-D материала вместе.
“Мы заинтересованы в интерфейс между 2-Д и 3-Д материала, потому что каждый 2-D материал, который вы хотите использовать в приложении, таких как электронные устройства, до сих пор приходится общаться с внешним миром, который является трехмерным,” говорит Росс.
“Мы живем в интересное время, потому что есть огромные изменения в контрольно-измерительных приборов для электронной микроскопии, и есть большой интерес в материалах с очень точно контролировать структуры и свойств, а эти две вещи пересекаются в увлекательной форме”, — говорит Росс.
“Возможности очень интересно”, — говорит Росс. “Мы собираемся быть действительно улучшит возможности характеризации в MIT”. Росс специализируется на изучение наноразмерных материалов, растут и реагируют в обоих газов и жидких сред, при записи фильмов с использованием электронной микроскопии. Микроскопия реакций в жидкостях является особенно полезным для понимания механизмов электрохимических реакций, которые регулируют производительность катализаторов, аккумуляторов, топливных элементов и других важных технологий. “В случае жидкой фазы микроскопия, вы также можете посмотреть на коррозию, когда вещи растворяются, в то время как в газах вы можете посмотреть на то, как отдельные кристаллы растут или как материалы реагируют, скажем, кислорода,” говорит она.
Росс присоединился в прошлом году Департамент материаловедения и инженерии (DMSE по) факультета, переходя из отдела анализа наноразмерных материалов в Исследовательском центре IBM Томаса Уотсона-центр. “Я узнал много нового от коллег IBM и надеемся расширить наше исследование в материал дизайн и роста в новых направлениях”, — говорит она.
Запись фильмов
Во время недавнего визита в ее лаборатории, Росс объяснил экспериментальной установки, пожертвовал в МТИ для IBM. Прибыл первый ультра-высокой системы вакуумного испарителя, должны быть приложены позже непосредственно на специально просвечивающем электронном микроскопе. “Это дает мощные возможности”, — объясняет Росс. “Мы можем поставить образец в вакууме, очистить его, сделать все виды вещей, как, например, отопление и добавления других материалов, а затем перенести его под вакуумом в микроскоп, где мы можем сделать больше экспериментов, пока мы записываем образы. Поэтому мы можем, например, кремний или Германий депозит, или испарять металлы, в то время как образец в микроскоп и электронный луч светит через него, и мы записываем видео процесса.”
А этой весной ждет просвечивающем электронном микроскопе должен быть создан, члены Росса семи членов исследовательской группы, в том числе материаловедения и инженерии постдок Шу Фэн Тан и аспирант Кейт Рейди, изготовлены и исследованы различные самосборные конструкции. Система испарителя временно разместилась на пятом уровне прототипирования пространство МТИ.нано пока лаборатории Росс готовится в здании 13. “МИТ.нано имеет ресурсы и пространство; мы были счастливы, что смогли помочь”, — говорит Анна Ошеров, МИТ.помощник директора нано обслуживания пользователей.
“Мы все заинтересованы в этом большой проблемы материаловедения, а именно: ‘как сделать материал с необходимыми свойствами и, в частности, как вы используете наноразмерных размеры, чтобы настроить свойства, и создать новые свойства, что вы не можете сделать из сыпучих материалов?’” Говорит Росс.
С помощью ультра-высокой вакуумной системы, аспирантка Кейт Рейди сформированных структур золота и ниобия на несколько 2-D материала. “Золото любит расти в маленькие треугольники,” Росс отмечает. “Мы говорили с людьми в области физики и материаловедения о том, какие комбинации материалов наиболее важны для них с точки зрения контролирующих структур и интерфейсов между компонентами, чтобы дать некоторое улучшение свойств материала”, — отмечает она.
Шу Фэн Тан синтезированных никель-платиновых наночастиц и осмотрел ее с использованием другого метода, жидкостная кювета электронной микроскопии. Она может организовать только никель растворяются, оставляя за колючие скелеты платины. “Внутри клетки жидкость, мы сможем увидеть весь этот процесс с высоким пространственным и временным разрешением”, — говорит Тан. Она объясняет, что платина-это благородный металл и менее реакционноспособен, чем никель, поэтому при правильных условиях никель участвует в электрохимической реакции растворения и платины осталось позади.
Платина является известный катализатор в органической химии и топливных материалов, отмечает Тан, но это тоже дорого, так что найти сочетания с менее дорогие материалы, такие как никель является желательным.
“Это пример спектра реакций материалами вы можете изображения в электронном микроскопе, используя технику жидкостной ячейке”, — говорит Росс. “Вы можете выращивать материалов; можно протравить их от себя; вы можете посмотреть, например, образование пузырьков и движения жидкости.”
Особенно важно применение данного метода для изучения велоспорт материалов батареи. “Очевидно, я не могу положить батареи АА в здесь, но вы могли бы создать важные материалы внутри это очень небольшая клеточная жидкость, а затем вы можете переходить вперед и назад, и спросить, если я зарядить и разрядить его в 10 раз, что происходит? Он не работает так же хорошо, как и прежде — как это не получится?” Росс спрашивает. “Какой-то анализ провала и все промежуточные стадии заряда и разряда можно наблюдать в жидкости клетки.”
“Эксперименты микроскопии, где вы видите на каждом шагу реакция даст вам гораздо больше шансов на понимание того, что происходит”, — говорит Росс.
Рисунок муара
Аспирант Рейди заинтересован в том, чтобы контролировать рост золота на 2-х материалов, таких как графен, диселенид вольфрама и дисульфида молибдена. Когда она положила золото на “грязные” графен, капли золота, собранного вокруг примеси. Но когда Рейди выросла золото на графене, которые были нагревается и очищается от примесей, она нашла идеальный треугольников золота. Пополнения золота на обеих верхней и нижней сторонах чистый графен, Рейди увидел в микроскоп особенности известен, как рисунок муара, который возникает, когда перекрывания кристаллических структур из выравнивания.
Золотые треугольники могут быть полезны в качестве фотонных и плазмонных структур. “Мы думаем, что это может быть важно для многих приложений, и это всегда интересно для нас, чтобы увидеть, что происходит”, — говорит Риди. Она планирует расширить свой метод чистого роста, чтобы сформировать 3-D металла кристаллы на сложенных 2-х материалов с различными углами поворота и других смешанно-слойные структуры. Рейди заинтересована в свойствах графена и гексагонального нитрида бора (HBN ПО), а также двух материалов, которые являются полупроводниками в 2-х однослойных виде дисульфида молибдена (MoS2) и диселенид вольфрама (WSe2). “Один аспект, который очень интересно, во 2-й общине материалов контакты между 2-D материала и 3-D металлов,” Рейди говорит. “Если они хотят сделать полупроводниковый прибор или устройство с графена, контакт может быть омическим для случая графена или контактом Шоттки на полупроводниковой случае, и взаимосвязи между этими материалами-это очень, очень важно”.
“Вы можете себе представить устройств с использованием графена только в качестве разделительного слоя между двумя другими материалами”, — добавляет Росс.
Для производителей устройств, Рейди говорит, что это иногда важно иметь 3-D материал растет с атомным расположение идеально выровнены с атомной расположение в 2-й слой под. Это называется эпитаксиального роста. Описывая изображение золотой срослось с серебра на поверхности графена, Рейди объясняет: “Мы обнаружили, что серебро не растет эпитаксиально, это не делает тех совершенных монокристаллов графена на то, что мы хотели сделать, но по первой сдаче на хранение золото, а затем перевел все это, мы можем почти силой серебра, чтобы пойти в эпитаксиальных форме, потому что он хочет соответствовать тому, что ее золотые соседи делают.”
Электронно-микроскопические изображения также может показать дефекты в кристалле, такие, как рябь или гнуть, Рейди ноты. “Одна из больших вещей об электронной микроскопии является то, что она очень чувствительна к изменениям в расположении атомов”, — говорит Росс. “Вы могли бы иметь идеальный кристалл, и это будет все выглядеть так же оттенком серого, но если у вас есть локальные изменения в структуре, даже тонкие изменения, электронная микроскопия может его забрать. Даже если изменение находится только в нескольких верхних слоях атомов, не затрагивая остальную часть материала под изображение показать отличительные признаки, что позволит нам выяснить, что происходит”.
Рейди также изучает возможности сочетания ниобий — металл, который является сверхпроводником при низких температурах — с 2-х топологического изолятора, теллурида висмута. Топологические изоляторы имеют дигидротестостерона, открытие вылилось в Нобелевскую премию по физике в 2016 году. “Если вы внесете ниобия на вершине теллурида висмута, с очень хорошим интерфейсом, вы можете сделать сверхпроводящие структуры. Мы ищем осаждения ниобия, и вместо того, чтобы треугольники мы видим структуры, которые больше дендритных просмотр,” Рейди говорит. Дендритные структуры похожи на модели образуется наледь на внутренней стороне окна зимой, или узоры перистых некоторых папоротников. Изменение температуры и других условий при осаждении ниобия может менять шаблоны, что материал берет.
Все исследователи жаждут новых электронных микроскопов, чтобы приехать в МТИ.нано, чтобы дать более полное представление о поведении этих материалов. “Многие вещи будут происходить в течение следующего года, все наращивает, а у меня работа с замечательными людьми. Одно новое микроскоп в настоящее время установлен в МТИ.нано и еще приедут в следующем году. Вся община будет видеть улучшение здесь микроскопия возможности характеризации”, — говорит Росс.
МИТ.нано Ошеров отмечает, что два криогенных передачи электронной микроскопии (крио-Пэм) установлено и работает. “Наша цель-создать уникальную микроскопии-ориентированного сообщества. Мы призываем и надеемся содействовать перекрестному опылению между крио-ЭМ, исследователи, в первую очередь сосредоточены на биологических системах и «мягкий» материал, а также другими научно-исследовательскими сообществами в кампусе”, — говорит она. Последнее дополнение сканирующего просвечивающего электронного микроскопа с расширенными аналитическими возможностями (ультравысокой энергетическое разрешение монохроматора, 4-ре ствола детектор, супер-х EDS детектором, томография, и несколько на месте владельцев) принес в Джона Чипмана доцент материаловедения и инженерии Джеймса М. Лебо, после установки, позволит существенно повысить микроскопии возможностей кампуса Массачусетского технологического института. “Мы считаем, что профессор Росс быть огромное ресурс для уведомив нас, как сформировать в месте подхода к измерениям с помощью расширенного инструментария, которые будут общими и доступными для всех исследователей в рамках сообщества МИТ и дальше”, — говорит Ошеров.
Мало питьевой соломинки
“Иногда вы знаете больше или меньше того, что вы увидите в ходе эксперимента рост, но очень часто есть то, чего вы не ожидаете”, — говорит Росс. Она показывает пример оксид цинка нанопроволоки, выращенные с использованием катализатора, Германий. Некоторые кристаллы имеют отверстия через их центры, создавая структуры, которые похожи на маленькие трубочки, круговой снаружи, но с внутренней шестиугольной формы. “Это Монокристалл оксида цинка, и интересный для нас вопрос: почему экспериментальные условия создают эти грани внутри, а снаружи гладкая?” Росс спрашивает. “Металлические наноструктуры оксидов имеют очень много различных приложений, и каждое новое строение может показать различные свойства. В частности, зайдя на наноуровне вы получите доступ к разнообразным набором свойств.”
“В конечном счете, мы хотел были бы развить методы для роста структур из оксидов металлов, особенно если мы можем контролировать состав в каждой точке структуры”, — говорит Росс. Ключевым для этого подхода является самостоятельной сборки, где строит себе в структуру, вы хотите, без необходимости индивидуальной настройки каждого компонента. “Самосборка работает очень хорошо для некоторых материалов, но проблема в том, что всегда есть какая-то неуверенность, какой-то случайности или колебаний. Есть слабый контроль над точной структуры, которые вы получите. Идея в том, чтобы попытаться разобраться самостоятельной сборки достаточно хорошо, чтобы иметь возможность контролировать его и получить свойства, которые вы хотите,” говорит Росс.
“Мы должны понять, как атомы в конечном итоге, где они находятся, а затем использовать, что самоорганизация способность атомов создать структуру, мы хотим. Кстати, чтобы понять, как вещи самостоятельно собрать, чтобы смотреть их сделать это, и что требуется фильмы с высоким пространственным разрешением и хорошим временным разрешением”, — объясняет Росс. Электронной микроскопии могут быть использованы для получения структурной и композиционной информацию и даже может измерять деформации поля или электрического и магнитного полей. “Представьте себе, записывая все эти вещи, но в кино, где вы также контролируем, как материалы растут в микроскоп. После того как вы сделали в кино что-то происходит, анализировать все этапы процесса роста и использовать это, чтобы понять, какие физические принципы были положены в ключ те, которые определены как структуры зарождаются и эволюционируют и в итоге, как он делает.”
Будущие направления
Росс надеется привлечь в уникальный высокого разрешения, высокого вакуума ТЭМ с возможностями для роста изображения материалов и других динамических процессов. Она намерена разрабатывать новые возможности как для воды и газа-ориентированных сред. Этот обычай микроскоп все еще находится в стадии планирования, но будет располагаться в одном из номеров в номере визуализации в МИТ.нано.
“Профессор Росс является пионером в этой области”, — говорит Ошеров. “Большинство ТЭМ исследования до настоящего времени были статическими, нежели динамическими. С статическими измерениями вы наблюдаете за образец в один конкретный момент времени, поэтому вы не получаете никакой информации о том, как она образовалась. С помощью динамических измерений, можно посмотреть на атомы скока от государства пока не найдут свою окончательную позицию. Способность наблюдать процессы самосборки и роста в реальном времени предоставляет ценную механистические выводы. Мы смотрим вперед к приносить эти дополнительные возможности для МТИ.нано”. — говорит она.
“После того, как определенный метод распространения, приносит внимания”, — говорит Ошеров. “Когда результаты опубликованы, исследователи расширить свое видение экспериментального проектирования на основе имеющихся государство-оф-искусство возможностей, ведущих к много новых экспериментов, которые будут направлены на динамических приложений.”
Номера в МТИ.нано характеристика самые тихие места на территории кампуса Массачусетского технологического института, предназначенная для снижения вибраций и электромагнитных помех до уровня настолько низкого, насколько это возможно. “Есть пространство, доступное для профессор Росс продолжить свое исследование и развивать его дальше”, — говорит Ошеров. “Способность локального контроля формирования материи и интерфейсы будут найти применение в нескольких областях по кампусу, и приведет к дальнейшему нажатием условные пределы электронной микроскопии.”
