7 Minutės
Tyrėjai atrado sumanų optinį triuką, leidžiantį vizualizuoti vieno atomo storio heksagoninio borono nitrido (hBN) lakštus — medžiagą, kuri regimoje šviesoje yra tokia skaidri, kad įprasti mikroskopai ją sunkiai pastebi. Naudodami nelinearinį vaizdavimo metodą, kuris infraraudonųjų bangų sukeltus tinklo virpesius paverčia regima šviesa, mokslininkai dabar gali greitai ir aukštu kontrastu fotografuoti, orientuoti ir žemėlapyti hBN monoslaiškius.
Borono nitridas yra kristalinė medžiaga, sudaryta iš borono ir azoto atomų, išdėstytų heksagoninėje tinklinėje struktūroje. Tai suteikia medžiagai du matmenis primenančią struktūrą, kuri išoriškai panaši į grafeną, tačiau pasižymi savitais elektroniniais ir optiniais parametrais bei chemine stabilumu.
How the new microscope makes the invisible visible
Fritz Haber instituto (FHI) tyrėjų komanda sujungė vidutinės bangos infraraudonus (mid-IR) ir regimos šviesos lazerius į faziškai išskirtą sum-frequency generation (SFG) mikroskopą, kad priverstų hBN monoslaiškius išskirti ryškų optinį signalą. Ši technika pasinaudoja rezonansiniu vibraciniu režimu hBN: kai mid-IR spindulys atitinka tą virpesį, sąveika su antruoju regimos šviesos spinduliu sukuria sumavimo dažnį, kurio intensyvumas yra keliais dydžiais didesnis už foninius signalus.
Paprastai tariant: mid-IR spindulys sužadina tinklo virpesį vieno atomo storio lakšte, o regimos šviesos spindulys „perskaito“ šią judesio informaciją, generuodamas šviesą, kurios dažnis yra abiejų spindulių sumos. Kadangi procesas yra rezonansinis ir nelinearus, monoslaiškis hBN — praktiškai nematomas įprastais vaizdavimo bangų ilgiais — SFG detektoriuje ryškiai išryškėja ir suteikia aukštą kontrastą, leidžiantį skirti monoslaiškį nuo fono.
SFG mikroskopijos vaizdas: borono nitrido monoslaiškio drožlės. Kreditas: FHI
Instrumentas yra greitas ir praktiškas. Tyrėjai praneša, kad apytiksliai 100 × 100 μm2 sritį jie gali nufotografuoti per mažiau nei sekundę, o svarbiausia — faziškai resolved (fazėi jautrus) matavimas užkoduoja ne tik monoslaiškio buvimą ir kontrastą, bet ir kristalografinę orientaciją. Tai reiškia, kad grūdų ribos, briaunų terminacijos ir vietinės deformacijos — esminiai elementai kuriant patikimas 2D heterostruktūras — gali būti vizualizuojami in situ, realiuoju laiku ir be fizinio kontakto.
Why hexagonal boron nitride matters for 2D materials and devices
Heksagoninis borono nitridas, dažnai vadinamas „baltuoju grafenu“, yra sluoksniuota medžiaga, sudaryta iš kaitaliojamos borono ir azoto atomų grandinių. Kaip ir grafenas, jos monoslaiškiai turi heksagoninį tinklą, tačiau hBN pasižymi papildomomis savybėmis: plačiu elektroniniu juostiniu tarpu (band gap), stipriomis mid-IR rezonansėmis, cheminiu stabilumu ir atominiu lygiaverčiu paviršiumi. Dėl pastarojo, hBN yra puikus substratas arba encapsuliantas kitoms 2D medžiagoms — jis mažina paviršiaus netolygumus ir elektrinius triukšmus, gerina elektroninį veikimą bei optinį stabilumą.
Vienas techninis iššūkis, susijęs su hBN, yra jo optinė „tyla“ artimojo IR ir regimosios srities diapazonuose, kai jis egzistuoja kaip vienas sluoksnis. Dėl to įprasta optinė kontrolė ir tiksli koordinačių suderinimas gamybos metu būdavo sudėtingi. Šis nematomas tarpas apribojo ir gyvosios (real-time) surinkimo bei kokybės kontrolės galimybes, kai buvo kuriamos sluoksniuotos van der Waals heterostruktūros — dirbtiniai kristalai, sudaryti iš skirtingų 2D sluoksnių. SFG metodas tiesiogiai sprendžia šią problemą, siūlydamas žyminčios medžiagos nebereikalaujančią (label-free), neinvazinę kontrasto metodiką, kuri vienu metu pateikia tiek vaizdą, tiek orientacijos informaciją gamybos metu.
Naujojo SFG mikroskopo schema, naudojama borono nitrido sluoksniams vaizduoti.
Be vaizdavimo, pastebėtas stiprus nelinearus optinis atsakas ties vibraciniu rezonansu rodo, kad monoslaiškis hBN galėtų būti naudojamas dažnio aukštinimui (frequency upconversion) — infraraudonųjų signalų pavertimui regima šviesa. Tokia galimybė atveria perspektyvas infraraudonosios nanofotonikos ir optoelektronikos pritaikymams, pavyzdžiui, IR detektorių integravimui į optinius lustus, kur tradiciniai IR imtuvai yra brangūs arba sudėtingi integruoti. Taigi šis mikroskopas nėra vien tik metrologijos įrankis — tai langas į funkcines savybes, kurias galima pritaikyti naujuose prietaisų dizainuose.
Collaborative effort and technical validation
Darbas yra tarpdisciplininis ir tarptautinis. hBN monoslaiškio drožlės buvo sintezuotos Vanderbilt universitete, SFG mikroskopija jas nufotografavo FHI Fizinės chemijos skyriuje, o papildomą charakterizaciją atliko partneriai iš Freie Universität Berlin, naudodami atominio jėgos mikroskopiją (AFM). FHI teorijos skyrius analizavo gautus kristalografinius duomenis, kad nustatytų briaunų terminacijas ir tinklo orientacijas.
Komplementarus AFM tyrimas patvirtino monoslaiškių buvimą ir storį, tuo tarpu SFG vaizdai pateikė aukštesnės raiškos optinį kontrastą bei orientacijos žemėlapius realiuoju laiku. Šis duomenų rinkinys atskleidė, jog trikampio formos hBN domenai dažnai turi azotu užbaigtas zigzago briaunas — struktūrinį bruožą, galintį reikšmingai paveikti elektronines ir optines savybes, kai tokie sluoksniai integruojami į sudėtingas heterostruktūras. Tokie detalūs stebėjimai yra esminiai, norint prognozuoti sluoksnių sąveikas, vietinių defektų įtaką ir optimizuoti prietaisų našumą gamybos etapu.
Metodologinė validacija buvo atlikta keliais lygius: spektrinė SFG charakterizacija nustatė rezonansų pozicijas ir linijų pločius, kurie sutapo su žinomomis hBN vibracinėmis modomis; fazės playback leido susieti signalą su tinklinėmis orientacijomis; o AFM patikrinimai garantavo, kad SFG ryškumas tikrai atitinka vieno sluoksnio geometriją, o ne daugiasluoksnę ar dalinai uždengtą vietovę.
Prospects for imaging broader classes of 2D materials
Kadangi SFG technika remiasi rezonansiniu vibracinių modų sužadinimu, jos pritaikymas gali būti išplėstas ir kitiems atominiam storio sluoksniams, turintiems ryškius infraraudonųjų aktyvius fononus arba molekulines vibracijas. Tai reiškia, kad medžiagos, tokios kaip tam tikri pereinamosios grupės dichalkogenidai (TMDs), molibdeno sulfidas (MoS2), ar organinės monolayers su specifiškomis cheminėmis grupėmis, gali būti imaged naudojant pritaikytus mid-IR dažnius ir fazės jautrią SFG matavimą.
Autoriai tikisi, kad metodas taps universaliu, neinvaziniu, žymių nereikalaujančiu vaizdavimo įrankiu greitai kokybės kontrolei gamyboje ir gyvam sluoksnių surinkimui. Praktiniu požiūriu, tai gali pagreitinti van der Waals heterostruktūrų gamybą kvantinei optikai, infraraudonosios nanofotonikos komponentams ir naujos kartos (opto)elektroniniais elementams. Gebėjimas realiu laiku matyti kristalo orientaciją taip pat atveria naujas galimybes „twist-angle engineering“ — sąmoningam sluoksnių posūkiui, siekiant sukurti egzotiškas elektronines fazes, tokių kaip moiré supertinklai ar koreliuojamos elektroninės būsenos.
Platesniu mastu SFG gali tapti standartine kontrolės priemone, ypač ten, kur būtina greita, kontakto nereikalaujanti ir chemiškai neutrali analizė. Integravus SFG į gamybos linijas, būtų galima sumažinti defektų skaičių, pagerinti sluoksnių derinto efektą ir sumažinti perdirbimo laiką, kas svarbu tiek akademiniams tyrimams, tiek komercinėms gamybos grandinėms.
Expert Insight
„Monoslaiškio hBN matomumas optiniu kontrastu yra tikras proveržis 2D medžiagų tyrimuose“, — sako dr. Elena Márquez, fiktyvi medžiagų mokslininkė, besispecializuojanti optoelektronikoje. „Šis metodas suteikia eksperimentatoriams gyvą, neinvazinį būdą suvesti sluoksnius ir aptikti defektus, kurių anksčiau reikėjo ieškoti lėtomis, kontaktinėmis technikomis. Laboratorijoms, kurios stato sudėtingas heterostruktūras, tai sutaupo laiko ir pagerina atkuriamumą.“
Dr. Márquez priduria: „Dažnio aukštinimo aspektas taip pat intriguoja — IR signalo pavertimas regima šviesa ant lustelio galėtų būti naudingas jutiklių ir ryšių technologijose, kuriose infraraudonųjų detektorių diegimas šiuo metu yra sudėtingas arba brangus.“
What this means for future devices and research
Naujai demonstravęs faziškai resolved sum-frequency mikroskopas siūlo praktišką kelią integruoti hBN ir kitas skaidrias 2D plokšteles į gamybos srautus. Greitesnis, didesnio kontrasto vaizdavimas kartu su orientacijos žemėlapiais gali pagerinti defektų kontrolę ir leisti itin tikslų sluoksniavimą — esminius žingsnius siekiant mastelio pritaikomų prietaisų, pagrįstų van der Waals inžinerija.
Kai metodas plėsis ir bus pritaikytas įvairioms medžiagoms, galime tikėtis tvirtesnio kvantinių įrenginių, infraraudonosios fotonikos komponentų bei sluoksniuotų medžiagų su inžinerinėmis elektroninėmis savybėmis gamybos. Plataus mokslo bendruomenė, dirbanti su 2D medžiagomis, įgauna naują, vertingą įrankį, jungiantį spektroskopiją, mikroskopiją ir medžiagotyros analizę į vieną veiksmingą technologiją.
Galiausiai, nors SFG mikroskopija suteikia daug privalumų, verta pažymėti ir kai kuriuos techninius apribojimus bei ateities sprendimų kryptis: optimizavus mid-IR šaltinius, pagerinus signalo apdorojimą ir sumažinus sistemų sudėtingumą, SFG galėtų labiau išplisti pramonėje. Taip pat reikalingi standartizuoti protokolai duomenų interpretacijai ir automatinė orientacijos rekonstrukcija, kad metodą būtų lengviau diegti gamybos eilėse ir tyrimų centruose visame pasaulyje.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą