Создание новых возможностей из наноматериалов
Сегодня термин «2-D» охватывает широкий спектр атомарно тонких плоских материалов, обладающих экзотическими свойствами, которых нет в их объемных аналогах. Профессор материаловедения и инженерии MIT Фрэнсис М. Росс изучает, что происходит на границе раздела между этими 2-D материалами и обычными 3-D материалами.
«Нас интересует интерфейс между 2-D и 3-D материалом, потому что любой 2-D материал в устройстве, например, электронном, должен взаимодействовать с внешним миром, который трёхмерен», — говорит Росс.
Запись фильмов
Росс специализируется на изучении того, как наноматериалы растут и реагируют в газовых и жидких средах, записывая видео с помощью электронной микроскопии.
- Микроскопия в жидкостях помогает понять механизмы электрохимических реакций, определяющих работу катализаторов, батарей, топливных элементов.
- Микроскопия в газах позволяет наблюдать рост отдельных кристаллов или реакцию материалов, например, с кислородом.
В её лаборатории используется ультравысоковакуумная испарительная система, подключенная к просвечивающему электронному микроскопу (TEM). Это позволяет, например, осаждать кремний или германий, пока образец находится в микроскопе под лучом, и записывать фильм этого процесса.
Примеры исследований:
- Аспирантка Кейт Рейди формирует структуры золота и ниобия на различных 2-D материалах (графен, дисульфид молибдена MoS2, диселенид вольфрама WSe2). На чистом графене золото образует идеальные треугольники.
- Постдок Шу Фен Тан с помощью жидкостной электронной микроскопии наблюдала растворение никеля в наночастицах никель-платина, оставляющее после себя скелет из платины. Это пример изучения механизмов работы катализаторов.
Этот метод также важен для изучения циклов заряда-разряда материалов батарей и анализа их отказов.
Узоры муаре и эпитаксиальный рост
Рейди исследует рост золота на 2-D материалах. При осаждении золота на обе стороны чистого графена возникают муаре-узоры, вызванные несовпадением кристаллических решёток.
Для создания устройств важен эпитаксиальный рост — когда 3-D материал растёт с атомным расположением, идеально совпадающим с 2-D слоем под ним. Исследователи обнаружили, что серебро само по себе не растёт эпитаксиально на графене, но, если сначала осадить золото, серебро начинает повторять его форму.
Электронная микроскопия очень чувствительна к изменениям в расположении атомов и может выявлять даже локальные дефекты в кристаллах.
Новые возможности в MIT.nano
Исследователи ожидают прибытия новых электронных микроскопов в MIT.nano, что значительно расширит возможности характеризации материалов.
- Два криогенных просвечивающих электронных микроскопа (крио-ТЕМ) уже установлены и работают.
- Скоро будет установлен растровый просвечивающий электронный микроскоп (STEM) с расширенными аналитическими возможностями, который привезён профессором Джеймсом М. ЛеБо.
Профессор Росс считается ключевым экспертом в разработке методик in situ (в реальном времени) измерений на этом продвинутом оборудовании, которое будет доступно всему научному сообществу MIT.
Самоорганизация и будущие направления
Росс изучает процессы самоорганизации, например, рост нанопроволок оксида цинка (ZnO) с катализатором из германия, которые образуют структуры, похожие на «соломинки для коктейля» с гексагональным каналом внутри.
«Ключ в том, чтобы понять самоорганизацию достаточно хорошо, чтобы контролировать её и получать нужные свойства», — говорит Росс. Для этого необходимо записывать фильмы процессов с высоким пространственным и временным разрешением.
В будущем Росс планирует создать уникальный высоковакуумный ТЕМ высокого разрешения для визуализации роста материалов и других динамических процессов в MIT.nano. Это позволит наблюдать за тем, как атомы перемещаются, пока не займут окончательное положение, что даст бесценные механистические insights.
«Способность in situ мониторинга формирования вещества и интерфейсов найдёт применение во многих областях и позволит раздвинуть привычные пределы электронной микроскопии», — отмечает Анна Ошеров, помощник директора MIT.nano.