هندسة الحدود بين المواد ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد

في السنوات الأخيرة ، وجد المهندسون طرقًا لتعديل خصائص بعض المواد “ثنائية الأبعاد” ، التي لا يزيد سمكها عن ذرة واحدة أو بضع ذرات ، عن طريق تكديس طبقتين معًا وتدوير إحداهما قليلاً بالنسبة إلى الأخرى. ينتج عن هذا ما يُعرف باسم أنماط تموج في النسيج ، حيث تؤدي التحولات الصغيرة في محاذاة الذرات بين الصفيحتين إلى إنشاء أنماط أكبر حجمًا. كما أنه يغير الطريقة التي تتحرك بها الإلكترونات عبر المادة بطرق مفيدة محتملة.

ولكن بالنسبة للتطبيقات العملية ، يجب أن تتصل هذه المواد ثنائية الأبعاد في مرحلة ما بالعالم العادي للمواد ثلاثية الأبعاد. توصل فريق دولي بقيادة باحثي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى طريقة لتصوير ما يحدث في هذه الواجهات ، وصولاً إلى مستوى الذرات الفردية ، وربط أنماط تموج في النسيج على الحدود 2-D-3-D مع الناتج. التغييرات في خصائص المادة.

النتائج الجديدة موصوفة اليوم في المجلة اتصالات الطبيعة، في ورقة بحثية أعدها طلاب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كيت ريدي وجورجيوس فارنافيدس وأساتذة علوم وهندسة المواد فرانسيس روس وجيم ليبو وبولينا أنيكيفا وخمسة آخرون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد وجامعة فيكتوريا في كندا.

يمكن أن تظهر أزواج من المواد ثنائية الأبعاد مثل الجرافين أو نيتريد البورون سداسي الأضلاع اختلافات مذهلة في سلوكها عندما يكون اللوحان ملتويان قليلاً بالنسبة لبعضهما البعض. يؤدي هذا إلى تشكيل المشابك الذرية التي تشبه أسلاك الدجاج لأنماط تموج في النسيج ، وأنواع العصابات الفردية والنقط التي تظهر أحيانًا عند التقاط صورة لصورة مطبوعة ، أو من خلال شاشة نافذة. في حالة المواد ثنائية الأبعاد ، “يبدو الأمر وكأنه أي شيء ، كل خاصية مواد مثيرة للاهتمام يمكنك التفكير فيها ، يمكنك بطريقة ما تعديلها أو تغييرها عن طريق التواء المواد ثنائية الأبعاد فيما يتعلق ببعضها البعض” ، كما يقول روس ، الذي هو إلين سوالو ريتشاردز أستاذة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

في حين أن هذه الأزواج ثنائية الأبعاد جذبت الاهتمام العلمي في جميع أنحاء العالم ، كما تقول ، لم يُعرف الكثير عما يحدث عندما تلتقي المواد ثنائية الأبعاد بالمواد الصلبة العادية ثلاثية الأبعاد. يقول روس: “ما جعلنا مهتمين بهذا الموضوع” هو “ماذا يحدث عندما يتم تجميع مادة ثنائية الأبعاد ومادة ثلاثية الأبعاد معًا. أولاً ، كيف تقيس المواضع الذرية عند الواجهة وبالقرب منها؟ ثانيًا ، ما هي الاختلافات بين الواجهة ثلاثية الأبعاد والثنائية الأبعاد؟ وثالثًا ، كيف يمكنك التحكم بها – هل هناك طريقة لتصميم البنية البينية بشكل متعمد “لإنتاج الخصائص المرغوبة ؟

كان اكتشاف ما يحدث بالضبط في مثل هذه الواجهات 2-D-3-D تحديًا صعبًا لأن المجاهر الإلكترونية إنتاج صورة للعينة في العرض ، وهي محدودة في قدرتها على استخراج المعلومات العميقة اللازمة لتحليل تفاصيل بنية الواجهة. لكن الفريق توصل إلى مجموعة من الخوارزميات التي سمحت لهم بالاستقراء من صور العينة ، والتي تبدو إلى حد ما مثل مجموعة من الظلال المتداخلة ، لمعرفة أي تكوين للطبقات المكدسة من شأنه أن ينتج هذا “الظل” المعقد.

استخدم الفريق مجهرين إلكترونيين فريدين للإرسال في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يتيحان مجموعة من القدرات التي لا مثيل لها في العالم. في إحدى هذه الأدوات ، يتم توصيل المجهر مباشرة بنظام التصنيع بحيث يمكن إنتاج العينات في الموقع عن طريق عمليات الترسيب وإدخالها مباشرة في نظام التصوير. هذه واحدة من عدد قليل من هذه المرافق في جميع أنحاء العالم ، التي تستخدم نظام فراغ فائق الارتفاع يمنع حتى أصغر الشوائب من تلويث العينة أثناء تحضير السطح البيني 2-D-3-D. الأداة الثانية عبارة عن مجهر إلكتروني مسح ضوئي يقع في منشأة الأبحاث الجديدة التابعة لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، MIT.nano. يتمتع هذا المجهر بثبات رائع للتصوير عالي الدقة ، بالإضافة إلى أوضاع التصوير المتعددة لجمع المعلومات حول العينة.

على عكس المواد المكدسة ثنائية الأبعاد ، والتي يمكن تغيير توجهاتها بسهولة نسبيًا عن طريق التقاط طبقة واحدة ، ولفها قليلاً ، ووضعها مرة أخرى ، فإن الروابط التي تحمل المواد ثلاثية الأبعاد معًا أقوى بكثير ، لذلك كان على الفريق تطوير جديد طرق الحصول على الطبقات المحاذية. للقيام بذلك ، أضافوا المادة ثلاثية الأبعاد إلى المادة ثنائية الأبعاد في فراغ فائق الارتفاع ، واختاروا ظروف النمو حيث يتم تجميع الطبقات ذاتيًا في اتجاه قابل للتكرار مع درجات معينة من الالتواء. يقول ريدي: “كان علينا أن ننمي هيكلًا كان سيصطف بطريقة معينة”.

بعد تطوير المواد ، كان عليهم بعد ذلك اكتشاف كيفية الكشف عن التكوينات والتوجهات الذرية للطبقات المختلفة. ينتج عن المجهر الإلكتروني النافذ الماسح معلومات أكثر مما هو واضح في الصورة المسطحة ؛ في الواقع ، تحتوي كل نقطة في الصورة على تفاصيل المسارات التي وصلت عبرها الإلكترونات وغادرت (عملية الانعراج) ، بالإضافة إلى أي طاقة فقدتها الإلكترونات في هذه العملية. يمكن فصل كل هذه البيانات بحيث يمكن استخدام المعلومات في جميع النقاط في الصورة لفك تشفير البنية الصلبة الفعلية. هذه العملية ممكنة فقط لأحدث المجاهر ، مثل تلك الموجودة في MIT.nano ، والتي تولد مسبارًا من الإلكترونات يكون ضيقًا ودقيقًا بشكل غير عادي.

استخدم الباحثون مجموعة من التقنيات تسمى 4-D STEM وتباين الطور التفاضلي المتكامل لتحقيق هذه العملية لاستخراج البنية الكاملة للواجهة من الصورة. بعد ذلك ، كما يقول فارنافيدس ، سألوا ، “الآن بعد أن أصبح بإمكاننا تصوير البنية الكاملة للواجهة ، ماذا يعني هذا لفهمنا لخصائص هذه الواجهة؟” أظهر الباحثون من خلال النمذجة أنه من المتوقع تعديل الخصائص الإلكترونية بطريقة لا يمكن فهمها إلا إذا تم تضمين الهيكل الكامل للواجهة في النظرية الفيزيائية. “ما وجدناه هو بالفعل أن هذا التكديس ، الطريقة التي تتكدس بها الذرات خارج المستوى ، تعدل الخصائص الإلكترونية وكثافة الشحنة” ، كما يقول.

يقول روس إن النتائج يمكن أن تساعد في تحسين أنواع الوصلات في بعض الرقائق ، على سبيل المثال. “كل مادة ثنائية الأبعاد تُستخدم في جهاز ما يجب أن تكون موجودة في العالم ثلاثي الأبعاد ، وبالتالي يجب أن يكون لها تقاطع بطريقة ما مع المواد ثلاثية الأبعاد” ، كما تقول. لذلك ، مع هذا الفهم الأفضل لتلك الواجهات ، والطرق الجديدة لدراستها أثناء العمل ، “نحن في حالة جيدة لإنشاء هياكل ذات خصائص مرغوبة بطريقة مخططة وليست مخصصة.”

يقول: “إن المنهجية المستخدمة لديها القدرة على حساب تعديل زخم الإلكترون المحلي من أنماط الحيود المحلية المكتسبة” ، مضيفًا أن “المنهجية والبحث الموضحين هنا لهما مستقبل بارز واهتمام كبير بمجتمع علوم المواد.”

أعيد نشر هذه القصة بإذن من MIT News (web.mit.edu/newsoffice/) ، وهو موقع شهير يغطي الأخبار المتعلقة بالبحوث والابتكار والتدريس في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.