Бразильские и Американские ученые изобрели простой и быстрый способ поиска дефектов в двумерных материалах. Для этого они скомбинировали метод микроскопии при помощи генерации второй гармоники с микроскопией темного поля. До этого основным инструментом для проверки однослойных структур считался дорогой и большой электронный микроскоп, непригодный для массового применения на производстве. Исследование опубликовано в журнале Nano Letters.

В последние годы индустрия электроники ищет способы использовать материалы из одного слоя атомов – двумерные материалы (самый известный из них, пожалуй, графен).  Используя такие материалы, разработчики процессоров смогут уменьшить размеры устройств и их энергопотребление. Однако, массовое производство сложных компонентов невозможно без быстрого и надежного способа выявлять брак. 

До недавнего времени поиск дефектов в двумерном материале занимал много времени и требовал серьезного оборудования и высокой квалификации, но группа исследователей из США и Бразилии под руководством Бруно Карвальо (Bruno R. Carvalho) из Федерального университета Рио Гранде (Бразилия) предложила способ дефектоскопии, который может применяться быстро и массово.

Существует физическое явление, называемое генерацией второй оптической гармоники (ГВГ). Фотоны, проходя через некоторые материалы, объединяются и формируют новые фотоны с удвоенной энергией, то есть с вдвое большей частотой. Иными словами, предмет люминесцирует другим цветом по сравнению с тем, которым его освещают. Этот эффект значительно усиливается в местах, где нарушается структура атомов в двумерном материале. Испуская лазером свет на фиксированной частоте и регистрируя его на удвоенной, можно получить изображение этих нарушений структуры, которые и укажут на дефекты.

Проблема в том, что видимые на таком изображении дефекты  получаются не очень яркими на фоне света, который испускает из-за ГВГ остальной материал без дефектов. В поисках способа решить проблему ученые изучили под электронным микроскопом атомную структуру однослойного диселенида молибдена, и их расчеты показали, что дефект структуры должен испускать свет под увеличенным углом, по сравнению с однородным материалом. Чтобы проверить это, исследователи адаптировали технологию темнопольной микроскопии. Поместив образец в центр, они заблокировали центральную часть объектива и стали фиксировать только те лучи, которые падают  на его края под большим углом. 

В результате удалось получить контрастное изображение однослойного материала, на котором дефекты структуры ярко светятся на темном фоне. Поскольку при этом используется оптический, а не электронный микроскоп, этот способ дешев, удобен и быстр. В дальнейшем авторы надеются расширить метод для работы с другим материалом, в том числе графеном, а так же планируют научиться фиксировать отсутствие единичных атомов. 

Ранее в Корее смогли упростить изготовление графеновых квантовых точек, а американцы увидели в электронный микроскоп изотопные метки в клетках.

Василий Зайцев