单层晶体，通常被称为二维晶体或二维材料，具有单层规则原子结构的独特特性。结构越规则，晶体质量越高。在某些情况下，原子结构被重复到完美，但大多数时候——就像自然界中通常的情况一样——存在一些缺陷。
二硫化钼 (MoS 2 )，一种看起来像石墨的黑色晶体，是具有这种层状结构的晶体的一个例子，其中可能存在缺陷。“单层 MoS 2 中的原子分为三层，就像三明治一样——底层是硫原子，然后是一层金属原子，最后是另一层硫原子，”EPFL 学院纳米级生物学实验室负责人 Aleksandra Radenovic 说。工程。“但有时，缺少一些硫原子，这会导致晶体中出现空位缺陷。这种缺陷也可能是有益的。例如，它们催化水分解反应产生氢气或作为生物分子检测器的目标位点。这就是为什么我们对这些缺陷感兴趣，尤其是它们在液体中的行为。”
Radenovic 和博士后 Miao Zhang、Martina Lihter，前博士。学生和合作者研究了 MoS 2样品并开发了一种绘制液体中此类缺陷的方法，从而更好地了解材料的特性。在电子显微镜中，由于使用了高能电子束，因此可以以极好的分辨率直接观察缺陷，因此需要真空环境。“液体中的测量仍然具有挑战性，”Radenovic 说。为了能够可视化液体中的缺陷位点，LBEN 团队采用了光学显微镜成像模式，称为纳米级拓扑中的点积累，PAINT。这项工作最近发表在ACS Nano 上。
揭示缺陷
由于单层MoS 2晶体只有三层原子薄，它几乎是透明的，这使得科学家们可以通过倒置显微镜上的薄玻璃盖玻片对其进行观察。“我们将样品置于水溶液中以研究缺陷在液体环境中的活动，”Lihter 说。
然后，科学家们使用与硫空位特异性结合的荧光硫醇探针。“通过将激光束对准样品，我们能够直接看到与缺陷结合的单个探针并精确定位其位置，”张说。事实证明，这种结合在某些条件下是可逆的。通过在一段时间内对缺陷处的这种随机瞬态结合进行成像，作为对 PAINT 策略的回忆，科学家们能够在相对较大的范围内识别和计算晶体的缺陷并量化其缺陷。“通过这种方式，我们还可以观察缺陷如何与其环境相互作用，”张说。
改变材料的属性
硫空位是改变材料性能的结果。MoS 2是一种用于制造电子设备芯片的半导体材料。因此，Radenovic 团队进行的实验不仅旨在绘制缺陷图，还旨在研究材料修复缺陷的行为。“不规则的原子结构改变了电子在材料内部移动的方式和材料的载流子迁移率，”Radenovic 说。“这因此改变了它的特性。”
虽然科学家们在这项研究中专注于 MoS 2，但他们的方法适用于具有夹心原子结构的同一家族(过渡金属二硫属化物)中的其他材料。