二維材料對(duì)于開發(fā)新型超緊湊電子設(shè)備至關(guān)重要，但生產(chǎn)無(wú)缺陷的二維材料是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。然而，賓夕法尼亞州立大學(xué)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(huì)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(xué)材料科學(xué)與工程助理研究教授 Danielle Reifsnyder Hickey 說(shuō)：“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(shè)備縮小到非常小的尺寸。” “這對(duì)于使電子設(shè)備更強(qiáng)大以便它們可以處理更多數(shù)據(jù)至關(guān)重要。但是，在足夠大的區(qū)域上生長(zhǎng)完美的 2D 材料以制造大量高質(zhì)量設(shè)備是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。”

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

賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)副教授納西姆·阿萊姆 (Nasim Alem) 說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)了十分之一納米的埃級(jí)新缺陷，并且我們能夠?qū)⒃咏Y(jié)構(gòu)與幾微米的超大尺度相關(guān)聯(lián)。和工程以及該研究的通訊作者。

該團(tuán)隊(duì)研究了賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程教授 Joan Redwing 的研究小組生長(zhǎng)的二硫化鎢單層膜中的缺陷。二硫化鎢屬于一類被稱為過(guò)渡金屬二硫?qū)倩锏亩S晶體，??它們是三原子厚的晶體，具有使其成為未來(lái)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(shuō)。“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(duì)稱性使得新型器件能夠基于相對(duì)于其體相增加的自由度。”

直接帶隙是將電子激發(fā)到導(dǎo)電能態(tài)以允許電流流動(dòng)的理想特征。例如，半導(dǎo)體技術(shù)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(shí)現(xiàn)新型設(shè)備。例如，在材料中定向多個(gè)自旋可以產(chǎn)生磁性，并且在具有相同能量但具有不同動(dòng)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(shí)現(xiàn)處理和存儲(chǔ)信息的新方法。釋放這些特性潛力的關(guān)鍵是生長(zhǎng)無(wú)缺陷的薄膜，這只能通過(guò)識(shí)別和理解原子缺陷來(lái)實(shí)現(xiàn)，正如在這項(xiàng)工作中實(shí)現(xiàn)的那樣。

該團(tuán)隊(duì)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(gè)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(lái)，并會(huì)影響材料特性，例如導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，從而降低它們?cè)陔娮赢a(chǎn)品中的價(jià)值。為了研究不尋常的平移晶界，該團(tuán)隊(duì)結(jié)合使用了掃描透射電子顯微鏡成像和 ReaxFF 反作用力場(chǎng)模擬。ReaxFF 由賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械工程杰出教授 Adri van Duin 開發(fā)，他也參與了這項(xiàng)研究。

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

“通過(guò)協(xié)同方法，我們能夠使用模擬來(lái)解釋我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并揭示導(dǎo)致這種微觀結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)制，”Alem 說(shuō)。“這是重要的一步，因?yàn)橥ㄟ^(guò)學(xué)習(xí)生長(zhǎng)和缺陷形成的基礎(chǔ)物理學(xué)，我們可以學(xué)習(xí)修改和控制它們，這將對(duì)晶體的電子特性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。”

根據(jù) Reifsnyder Hickey 的說(shuō)法，改進(jìn)材料將導(dǎo)致更好的電子產(chǎn)品。

“這項(xiàng)研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了這些結(jié)構(gòu)，并使用理論和模擬將它們的形成與生長(zhǎng)條件相關(guān)聯(lián)，”Reifsnyder Hickey 說(shuō)。“現(xiàn)在，我們希望實(shí)施我們所學(xué)到的知識(shí)，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(guān)原子缺陷的特性。 ”

根據(jù) Reifsnyder Hickey 的說(shuō)法，能夠生產(chǎn)基于二硫化鎢單層膜的改進(jìn)型電子產(chǎn)品，缺陷最少，這對(duì)于日益視覺化的社會(huì)來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息。

“幾十年前，在電話上觀看視頻是聞所未聞的，”Reifsnyder Hickey 說(shuō)。“但現(xiàn)在，我們?cè)谝曈X上消耗了大量信息，尤其是視頻，包括新聞、通訊和娛樂(lè)。由于電子產(chǎn)品變得如此強(qiáng)大，我們能夠輕松地將實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的設(shè)備放在口袋里。我們的研究結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致新一代此類設(shè)備。”

參與該研究的其他賓夕法尼亞州立大學(xué)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。

標(biāo)簽： 新型二維材料缺陷