快速检测二维材料的光电合一无损新方法

无损检测NDT2018-06-25 17:43:53

到目前为止,材料学领域内有一个众所周知的常识:当某一材料薄到只有一个原子厚度的时候,该材料的物理性能与其宏观状态相比将发生巨大的变化。石墨烯,就是二维材料里面最著名的一种,它是从石墨材料中剥离出来,由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体,与其宏观状态的石墨相比,石墨烯具有优异的力学性能和导电性能。



除了石墨烯,研究人员也已经开始研究上百种其它二维材料,来充分开发它们的应用,例如在电子电气、传感器、早期癌症诊断以及海水淡化等众多领域。


现在

来自美国宾夕法尼亚州立大学物理系及二维材料和层状材料研究中心(2DLM)的技术人员已经开发出了一种可用于快速分析二维材料中缺陷的无损光学检测方法。并且这一研究成果已于4月28日发表在《Science Advances》期刊上。


图中显示了在绿色激光(hv)辐射下的二硫化钨材料的三角单层分子模型,从硫原子空位构成的缺陷所在的边缘发出红光(hv)。图片来源:宾夕法尼亚州立大学


来自宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程学院的Mauricio Terrones教授说道

“在半导体领域内,缺陷是非常重要的,因为研究人员可以通过缺陷控制材料的性能,这被称之为缺陷工程,行业专家们深知如何有效控制缺陷以及哪种类型的缺陷对体系有利等”。


为了真正地了解二维材料,例如二硫化钨(该材料具有类似三明治结构,单个原子厚度的钨原子被夹在两个硫原子之间),往往需要大功率的显微镜才能看到单个原子以及一些空洞,这些空穴也即是原子缺失的地方。


来自宾夕法尼亚州立大学材料研究所的在职科学家,同时也是透射电子显微镜方面的专家Bernd Kabius说道

“透射电子显微镜(TEM)的优势在于你可以获取你想要的图像,并且能够直接看到发生了什么——你可以获取最直接的信息”。


Kabius也坦言

该方法的缺点是可能会损害一些精细的二维材料、样品需要进行较为复杂的准备处理工作、需要耗费不少时间——仪器可能需要花费一整天的时间只得到一个样品的图像,对于图像结果的解释和理解则需要花费一周甚至更久的时间。考虑到这些原因以及其他一些未提及的原因,研究人员希望能够将透射电子显微镜技术与一种观察样品更简单、快捷的方法相结合起来。


由Terrones领导的研究小组研发的这种新技术采用的是一种光学方法——荧光显微镜检查技术,其原理是:将具有特定波长的激光照射在样品上并激发电子,将电子推到一个更高的能级,每发出一个具有更长波长的光子时,电子就会降低到一个较低的能级上。光的波长或颜色可以通过光谱测量,并提供关于样品上的缺陷类型和位置等信息。该数据在谱图上会以峰的形式显示出来,然后可以与透射电子显微镜的视觉观察相关联。理论计算也有助于验证光学结果。


该过程中有一个必需的步骤是需要将样品放置在温度受控的样品架或平台中,并将温度降低至77开尔文,约零下200摄氏度。在这个温度下,产生荧光的电子-空穴对会与缺陷结合。在这种情况下,以二硫化钨为例,三明治结构顶层的一组硫原子空位会发出比材料原始区更强的信号。


Terrones实验室前博士后研究员Victor Carozo表示

“我们第一次在二维材料中建立了光学响应与原子缺陷量之间的直接关系”。


Terrones补充道

“对于半导体行业来说,这是一个能够快速进行测量,可用于评估二维材料体系内缺陷的光学非破坏性无损检测方法,更重要的是我们可以将这种光学方法与透射电子显微镜技术和原子模拟相关联起来,我个人认为这种方法将非常有助于建立一套完善的二维晶体材料的表征方案”。


关于这点,来自二维材料和层状材料研究中心的博士后研究员和理论家Yuanxi Wang解释说

“我们的计算表明,被空位俘获的电子发射的光不同于无缺陷区域发射的光,在这些区域所发出的光,根据波长可以轻松识别样品中的空位信息”。


宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系的杰出教授Vincent Crespi说

“我们不仅可以确定一些缺陷的存在和修饰后的光发射之间的经验相关性,而且还可以通过原理计算确定存在这些相关性的原因”。


该技术将可以在许多方面取得应用,包括具有选择性孔径的膜在海水淡化方面的应用、进行DNA测序、气体分子与特定空位结合时的气体检测以及掺杂了外来原子以增强物理性能的二维材料的检测等。


本文部分图片来源自网络

来源:宾夕法尼亚州立大学

译者:Vince

译自:phys.org