Modified 2D van-der-Waals materials for advanced bio-applications

2D-materialer som grafen og heksagonal bornitrid (h-BN) har interessante funksjonelle egenskaper for anvendelser som f.eks. informasjons- og kommunikasjons- og medisinsk teknologi. h-BN har blitt studert for sine egenskaper som den eneste elektriske isolatoren i 2D-familien, men med en krystallstruktur som ligner grafen. Egenskapene til h-BN kan endres ved doping, funksjonalisering og hybridisering av BN-lagene. Potensialet for å forandre egenskapene fører til et bredt spekter av mulige bruksområder, for eksempel innen elektronikk, optoelektronikk, som sensorer og isolasjonslag. BN-baserte materialer er biokompatible, noe som betyr at de kan brukes til biomedisinske anvendelser. I BORNIT-prosjektet (Modified 2D van-der-Waals materials for advanced bio-applications) har vi utført både eksperimentelle og teoretiske studier av h-BN og h-BN tynne filmer som inneholder forskjellige defekter. Modifikasjonen av materialene eller innføringen av defekter har blitt gjort for å endre egenskapene uten å redusere biokompatibiliteten. Vi har studert hvilken rolle substratvalget har på hvilke defekter som dannes og hvordan dette påvirker de funksjonelle egenskapene for h-BN. Vi har brukt et pulsert laseravsetningsutstyr (PLD) med en innebygget sputtering-enhet etablert ved NTNU, og vi har utviklet rutiner for å deponere h-BN-filmer på forskjellige typer substrat (ordnet pyrolytisk grafitt (HOPG) samt billige og fleksible kobber- og nikkelfolier). PLD ga god kontroll av filmtykkelsen og støkiometrisk overføring fra targetmaterialet. Vi har systematisk studert filmene ved å benytte elektrondiffraksjon, atomkraftmikroskopi, Raman-spektroskopi og røntgenfotoelektronspektroskopi. Vi har videre studert sammenhengen mellom defektkjemi, adatom adsorpsjon og funksjonelle egenskaper i h-BN-filmer ved hjelp av «density functional theory» (DFT) beregninger. Vi har funnet ut at type substrat påvirker defektkjemien og tilsvarende funksjonelle egenskaper i de PLD-deponerte h-BN-filmene. Videre har vi vist at adsorpsjon av overgangsmetallatomer på overflaten avhenger av valg av substrat og tilsvarende defektkjemi, noe som igjen bestemmer muligheten for vekst av nanopartikler på overflaten. Våre teoretiske funn ga ny grunnleggende kunnskap om koblingen mellom defektkjemi, overflatekjemi og funksjonelle egenskaper i materialene, noe som er nøkkelen for å designe nye materialer i framtiden der vi kan kontrollere nye funksjonaliteter. Den teoretiske modelleringen er utført i samarbeid med Aristotle University of Thessaloniki, Hellas. Arbeidet med h-BN er supplert med studier av tynnfilm og klustere av oksidsystemer for å få et bredere innblikk i defektene i disse materialene og hvordan de påvirker funksjonelle egenskaper. Vi har brukt avanserte transmisjons elektronmikroskopiteknikker til å få en fundamental forståelse av materialene. PhD-kandidaten tilknyttet BORNIT-prosjektet har opparbeidet verdifull erfaring innen avanserte TEM-teknikker som hun kan bruke i en rekke forskningsfelt i fremtidig karriere. Prosjektet har resultert i 12 vitenskapelige artikler derav 3 som ikke ble publisert før etter prosjektslutt og har blitt presentert på 8 nasjonale og internasjonale vitenskapelige konferanser.

The main outcome of the BORNIT-project is the establishment of a multidisciplinary knowledge covering 2D-nanostructured materials and thin films, advanced structural characterization with transmission electron microscopy as the main tool, combined with atomistic modelling. New methodology for thin film deposition of 2D materials has been developed. The combined experimental and modelling approach has contributed to a thorough understanding of the effect of the type of substrate for the film properties and the influence of defects on the materials properties. Well trained PhD candidate and two post docs within the filed of nanomaterials synthesis and characterization will contribute to scientific development through their gained knowledge in their future positions. The learning from the BORNIT-project activities will be brought forward to impact the work in the FACET (Functional materials and materials chemistry) research group in future projects.

The field of nanotechnology applied to medicine (nanomedicine) is developing at a fast pace and is expected to provide solutions for early diagnosis, targeted therapy, and personalized medicine. In this context, multimodal contrast agents based on nanostructures that combine magnetic and optical intrinsic responses can offer improvements in patient care and at the same time can reduce costs, contribute to the efficiency of the hospital logistics, and enhance safety by limiting the number of contrast agent administrations required for imaging purposes. The aim of the present project is to develop a new generation of multimodal contrast agent, based on 2D-hBN nanostructures, for magnetic and photonic based bio-imaging. For this purpose, 2D-hBN will be deposited by PLD technique and further modified. This modification consists of in-situ hybridization of 2D-hBN nanostructures by implanting energetic charged atomic-nanoclusters of plasmonic materials. This shallow implantation will lead to Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) response. The exposure of 2D-hBN to implantation will result in the formation of controlled vacancy defects, favoring the spontaneous spin polarization and the formation of a local magnetic moment. In addition, 2D-hBN materials can host the created defects whose electronic states lie deep within their large bandgap, inducing single quantum emitters behavior. The resulting nanostructures, with intrinsic magnetic, Quantum Dots emitters, and plasmonic responses, promise breakthrough advances in multimodal bio-imaging and single molecule sensing. These nanostructures will improve the safety of the patient as they are transition-metal-free with intrinsic photonic response.