二維材料對于開發(fā)新型超緊湊電子設備至關重要，但生產(chǎn)無缺陷的二維材料是一項挑戰(zhàn)。然而，賓夕法尼亞州立大學的一組研究人員表示，在這些 2D 材料中發(fā)現(xiàn)新型缺陷可能會讓我們深入了解如何創(chuàng)造沒有這種缺陷的材料。

賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程助理研究教授 Danielle Reifsnyder Hickey 說：“二維材料是令人興奮的電子電子新材料，由于它們非常薄，因此可以將設備縮小到非常小的尺寸。” “這對于使電子設備更強大以便它們可以處理更多數(shù)據(jù)至關重要。但是，在足夠大的區(qū)域上生長完美的 2D 材料以制造大量高質量設備是一個巨大的挑戰(zhàn)。”

Reifsnyder Hickey 和賓夕法尼亞州立大學的研究人員團隊發(fā)現(xiàn)了新型缺陷，這些缺陷為創(chuàng)建無缺陷 2D 材料的方法提供了線索。這項研究最近發(fā)表在Nano Letters 上。

賓夕法尼亞州立大學材料科學副教授納西姆·阿萊姆 (Nasim Alem) 說：“我們發(fā)現(xiàn)了十分之一納米的埃級新缺陷，并且我們能夠將原子結構與幾微米的超大尺度相關聯(lián)。和工程以及該研究的通訊作者。

該團隊研究了賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程教授 Joan Redwing 的研究小組生長的二硫化鎢單層膜中的缺陷。二硫化鎢屬于一類被稱為過渡金屬二硫屬化物的二維晶體，??它們是三原子厚的晶體，具有使其成為未來電子產(chǎn)品發(fā)展的理想選擇。

“二維材料單層與塊狀晶體具有不同的特性，”Reifsnyder Hickey 說。“例如，它們具有直接帶隙，因此可以用作非常小的晶體管材料，并且它們的晶體對稱性使得新型器件能夠基于相對于其體相增加的自由度。”

直接帶隙是將電子激發(fā)到導電能態(tài)以允許電流流動的理想特征。例如，半導體技術依賴于以這種方式操縱電荷。最近，自旋和谷自由度在 2D 材料中也顯示出前景，并且可以被操縱以實現(xiàn)新型設備。例如，在材料中定向多個自旋可以產(chǎn)生磁性，并且在具有相同能量但具有不同動量值的不同局部最小和最大能量狀態(tài)(谷)之間分布電子可以實現(xiàn)處理和存儲信息的新方法。釋放這些特性潛力的關鍵是生長無缺陷的薄膜，這只能通過識別和理解原子缺陷來實現(xiàn)，正如在這項工作中實現(xiàn)的那樣。

該團隊發(fā)現(xiàn)的缺陷被稱為平移晶界，它發(fā)生在具有相同取向但平移偏移的兩個微晶之間的界面處。通常，晶界將具有不同取向的晶粒連接起來，并會影響材料特性，例如導熱性和導電性，從而降低它們在電子產(chǎn)品中的價值。為了研究不尋常的平移晶界，該團隊結合使用了掃描透射電子顯微鏡成像和 ReaxFF 反作用力場模擬。ReaxFF 由賓夕法尼亞州立大學機械工程杰出教授 Adri van Duin 開發(fā)，他也參與了這項研究。

研究發(fā)現(xiàn)，所識別的平移晶界作為單層薄膜中細微但普遍存在的缺陷存在。

“通過協(xié)同方法，我們能夠使用模擬來解釋我們的實驗結果，并揭示導致這種微觀結構的生長機制，”Alem 說。“這是重要的一步，因為通過學習生長和缺陷形成的基礎物理學，我們可以學習修改和控制它們，這將對晶體的電子特性產(chǎn)生深遠的影響。”

根據(jù) Reifsnyder Hickey 的說法，改進材料將導致更好的電子產(chǎn)品。

“這項研究通過實驗發(fā)現(xiàn)了這些結構，并使用理論和模擬將它們的形成與生長條件相關聯(lián)，”Reifsnyder Hickey 說。“現(xiàn)在，我們希望實施我們所學到的知識，以便消除晶粒中的這些偏移，形成足夠大的真正單晶薄膜，用于優(yōu)秀的電子產(chǎn)品。我們還想探索這些和相關原子缺陷的特性。 ”

根據(jù) Reifsnyder Hickey 的說法，能夠生產(chǎn)基于二硫化鎢單層膜的改進型電子產(chǎn)品，缺陷最少，這對于日益視覺化的社會來說是個好消息。

“幾十年前，在電話上觀看視頻是聞所未聞的，”Reifsnyder Hickey 說。“但現(xiàn)在，我們在視覺上消耗了大量信息，尤其是視頻，包括新聞、通訊和娛樂。由于電子產(chǎn)品變得如此強大，我們能夠輕松地將實現(xiàn)這一目標的設備放在口袋里。我們的研究結果可能會導致新一代此類設備。”

參與該研究的其他賓夕法尼亞州立大學研究人員包括 Nadire Nayir、Mikhail Chubarov、Tanushree H. Choudhury、Saiphaneendra Bachu、Leixin Miao、Yuanxi Wang、Chenhao Qian 和 Vincent H. Crespi。

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