Νέο μικροσκόπιο κάνει ορατά υλικά πάχους ενός ατόμου (2D)
Ερευνητές από τα τμήματα Φυσικής Χημείας και Θεωρίας του Ινστιτούτου Fritz Haber παρουσίασαν μια καινοτόμο τεχνική μικροσκοπίας που επιτρέπει, για πρώτη φορά, την άμεση οπτικοποίηση φύλλων βοριούχου νιτριδίου πάχους ενός και μόνο ατόμου. Σύμφωνα με το άρθρο στη Scitechdaily πρόκειται για ένα σημαντικό άλμα στη μελέτη των δισδιάστατων υλικών, τα οποία μέχρι σήμερα παρέμεναν σχεδόν "αόρατα" στα συμβατικά οπτικά μικροσκόπια.
Το πρόβλημα με τα εξαιρετικά λεπτά στρώματα, όπως το εξαγωνικό βοριούχο νιτρίδιο (hBN), είναι ότι δεν παρουσιάζουν οπτικούς συντονισμούς στο ορατό φάσμα. Ως αποτέλεσμα, το φως απλώς τα διαπερνά, καθιστώντας τα πρακτικά μη ανιχνεύσιμα με κλασικές μεθόδους απεικόνισης.
Για να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό, οι επιστήμονες αξιοποίησαν μια τεχνική μη γραμμικής μικροσκοπίας με χρήση υπέρυθρου φωτός. Η μέθοδος, γνωστή ως μικροσκοπία αθροιστικής συχνότητας με ανάλυση φάσης, συνδυάζει δύο δέσμες λέιζερ μία στο μεσαίο υπέρυθρο και μία στο ορατό ώστε να παραχθεί ένα νέο οπτικό σήμα από το ίδιο το υλικό.
Όταν το λέιζερ διεγείρει συγκεκριμένες δονήσεις του πλέγματος του hBN, το υλικό εκπέμπει έντονο φως, "λάμποντας" κάτω από το μικροσκόπιο. Το αποτέλεσμα δεν είναι μόνο η καθαρή απεικόνιση του μονοστρώματος, αλλά και η ταυτόχρονη αποκάλυψη του κρυσταλλικού του προσανατολισμού ένα στοιχείο κρίσιμο για τη μελλοντική αξιοποίησή του.
Γιατί τα 2D υλικά έχουν τόσο μεγάλο ενδιαφέρον
Τα δισδιάστατα υλικά αποτελούνται από ένα και μόνο στρώμα ατόμων και παρουσιάζουν ιδιότητες που δεν εμφανίζονται σε πιο παχιά υλικά. Αν και τα στρωματώδη υλικά είναι γνωστά εδώ και δεκαετίες, η απομόνωση του γραφενίου το 2004 άνοιξε τον δρόμο για μια ολόκληρη νέα κατηγορία υλικών με τεράστιες τεχνολογικές προοπτικές.
Από τα ηλεκτρονικά και την ενέργεια έως τη φωτονική και την κβαντική τεχνολογία, τα 2D υλικά θεωρούνται βασικό δομικό στοιχείο για τις συσκευές του μέλλοντος.
Το βοριούχο νιτρίδιο, συχνά αποκαλούμενο και "λευκό γραφένιο", έχει παρόμοια εξαγωνική δομή με το γραφένιο, αλλά διαφορετικές ηλεκτρονικές και οπτικές ιδιότητες. Το hBN χρησιμοποιείται ήδη σε εφαρμογές όπως η υπέρυθρη νανοφωτονική, η κβαντική οπτική, αλλά και ως υπόστρωμα ή προστατευτικό υλικό για άλλα 2D στρώματα.
Ως μονοστρώμα, παραμένει διαφανές σχεδόν σε όλο το ορατό και κοντινό υπέρυθρο φάσμα, γεγονός που δυσκόλευε μέχρι σήμερα την ακριβή χαρτογράφησή του. Αυτό αποτελούσε σοβαρό εμπόδιο για τον εντοπισμό ατελειών, ορίων κόκκων και παραμορφώσεων, καθώς και για τον σωστό προσανατολισμό του σε πολυστρωματικές δομές τύπου van der Waals.
Με τη νέα τεχνική, οι ερευνητές μπορούν να απεικονίσουν μεγάλες περιοχές δείγματος (έως 100 × 100 μικρόμετρα) σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο, με υψηλή αντίθεση και χωρίς να καταστρέφουν το υλικό. Σε σύγκριση με την μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM), η μέθοδος προσφέρει πιο καθαρή οπτική πληροφορία και επιτρέπει παρατήρηση σε πραγματικό χρόνο.
Χάρη σε αυτή την προσέγγιση, διαπιστώθηκε ότι τα τριγωνικά μονοστρώματα hBN παρουσιάζουν άκρα τύπου zigzag με τερματισμό αζώτου, ενώ η έντονη μη γραμμικότητα που παρατηρείται κοντά στη συχνότητα συντονισμού υποδεικνύει ότι το υλικό είναι ιδανικό για μετατροπή συχνοτήτων από το υπέρυθρο στο ορατό σε μελλοντικές οπτοηλεκτρονικές συσκευές.
Διεθνής συνεργασία και επόμενα βήματα
Η μελέτη αποτελεί αποτέλεσμα στενής συνεργασίας μεταξύ διαφορετικών τμημάτων του Fritz Haber Institute και διεθνών ερευνητικών ομάδων. Τα μονοστρώματα hBN συντέθηκαν στο Vanderbilt University, αναλύθηκαν στο Βερολίνο με τη νέα μικροσκοπία, ενώ η θεωρητική ερμηνεία των δεδομένων κατέστη δυνατή χάρη στη συμβολή ειδικών στη θεωρία υλικών. Συμπληρωματικές μετρήσεις με AFM πραγματοποιήθηκαν στο Freie Universität Berlin.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, η νέα τεχνική μπορεί να εξελιχθεί σε ένα ισχυρό, μη επεμβατικό εργαλείο για τη μελέτη όχι μόνο του hBN, αλλά και πολύπλοκων στοίβων δισδιάστατων υλικών και υβριδικών δομών. Αυτό ανοίγει τον δρόμο για πιο ελεγχόμενη κατασκευή προηγμένων νανοδομών και νέων γενιών οπτοηλεκτρονικών διατάξεων.
){kind=link}