二維分層材料在許多應(yīng)用中具有廣闊的前景，例如下一代邏輯和存儲(chǔ)設(shè)備以及柔性?xún)?chǔ)能設(shè)備的替代平臺(tái)。然而，關(guān)于它們，仍有許多未知之處。來(lái)自機(jī)械工程與材料科學(xué)的 Carol 和 Douglas Melamed 副教授以及耶魯大學(xué)西校區(qū)能源科學(xué)研究所成員 Judy Cha 實(shí)驗(yàn)室的兩項(xiàng)研究回答了有關(guān)這些材料的一些關(guān)鍵問(wèn)題。這兩項(xiàng)研究均由陸軍研究辦公室 (ARO) 資助，該辦公室是美國(guó)陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)組成部分，并已發(fā)表在《先進(jìn)電子材料》上。

在一篇論文中，Cha 和她的研究團(tuán)隊(duì)與耶魯大學(xué)化學(xué)教授 Nilay Hazari 和 Hailiang Wang 合作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了小分子對(duì)二維材料的精確摻雜效應(yīng)——這是朝著定制分子以調(diào)節(jié)電性能的第一步。二維材料。在這樣做的過(guò)程中，他們還實(shí)現(xiàn)了非常高的摻雜濃度。

摻雜——例如將硼或磷等雜質(zhì)添加到硅中——對(duì)于開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體至關(guān)重要。它允許調(diào)節(jié)載流子密度——電子和其他電荷載流子的數(shù)量——以生產(chǎn)功能性器件。然而，傳統(tǒng)的摻雜方法往往過(guò)于耗能，并且可能對(duì)二維材料造成破壞。

相反，由于二維材料幾乎都是表面，研究人員可以將稱(chēng)為有機(jī)電子供體 (OED) 的小分子撒在表面上，并激活二維材料，即產(chǎn)生表面功能化。由于有機(jī)化學(xué)，該方法非常有效。它還極大地拓寬了所用材料的選擇范圍。在這項(xiàng)研究中，Cha 使用了二硫化鉬 (MoS 2 )。

然而，為了進(jìn)一步優(yōu)化這些材料，研究人員需要更高的精度。他們需要知道 OED 的每個(gè)分子為二維材料提供了多少電子，以及總共需要多少分子。

“通過(guò)這樣做，我們可以繼續(xù)進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)，知道如何調(diào)整分子，然后增加載流子密度，”查說(shuō)。

為了進(jìn)行這種校準(zhǔn)，Cha 和她的團(tuán)隊(duì)在耶魯大學(xué)西校區(qū)的成像中心使用了原子力顯微鏡。對(duì)于他們的材料，他們實(shí)現(xiàn)了每個(gè)分子大約一個(gè)電子的摻雜效率，這使他們能夠證明在 MoS2 中達(dá)到的最高摻雜水平。這只有通過(guò)進(jìn)行精確測(cè)量才有可能實(shí)現(xiàn)。

“現(xiàn)在我們知道了興奮劑的含量，我們不再處于不知道自己身在何處的黑暗空間，”她說(shuō)。“以前，我們可以摻雜，但不知道摻雜的效果如何?，F(xiàn)在我們有一些想要達(dá)到的目標(biāo)電子密度，我們覺(jué)得我們知道如何達(dá)到目標(biāo)。”

在第二篇論文中，Cha 的團(tuán)隊(duì)研究了機(jī)械應(yīng)變對(duì)鋰離子電池中鋰的排序的影響。

當(dāng)前商用鋰離子電池使用石墨作為陽(yáng)極。當(dāng)鋰插入構(gòu)成石墨的石墨烯層之間的間隙時(shí)，間隙需要擴(kuò)大，為鋰原子騰出空間。

“所以我們問(wèn)'如果你停止這種擴(kuò)張?jiān)趺崔k?'”查說(shuō)。“我們發(fā)現(xiàn)局部應(yīng)變會(huì)影響鋰離子的排序。鋰離子有效地減慢了速度。”

當(dāng)存在應(yīng)變能時(shí)，鋰不能像以前那樣自由移動(dòng)，需要更多的能量來(lái)迫使鋰進(jìn)入其首選配置。

通過(guò)計(jì)算應(yīng)變能的確切影響，Cha 的研究團(tuán)隊(duì)能夠精確地證明鋰原子減速的程度。

該研究具有更廣泛的意義，特別是如果該領(lǐng)域從鋰電池轉(zhuǎn)向由其他更容易獲得的材料(如鈉或鎂)制成的鋰電池，這些材料也可用于可充電電池。

“鈉和鎂要大得多，因此與鋰相比，差距需要擴(kuò)大得多，因此應(yīng)變的影響會(huì)更加顯著，”她說(shuō)。研究中的實(shí)驗(yàn)提供了對(duì)機(jī)械應(yīng)變可能對(duì)這些其他材料產(chǎn)生的影響的類(lèi)似理解。

ARO 研究人員表示，Cha 的研究將對(duì)推進(jìn)他們自己的工作非常有幫助。

“在這兩項(xiàng)與新型二維材料相關(guān)的研究中獲得的結(jié)果對(duì)于開(kāi)發(fā)未來(lái)陸軍在傳感和能量存儲(chǔ)方面的先進(jìn)應(yīng)用具有重要意義，”ARO 分部負(fù)責(zé)人 Pani Varanasi 博士說(shuō)。

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