扭曲的二維材料:能力非凡,潛力巨大!

2021-01-12 環球創新智慧

導讀

據芬蘭阿爾託大學官網報導，該校研究人員採用的轉移二硫化鉬（MoS2）單原子層的新方法，可精準控制層間扭轉角，這些層的面積最大可達平方釐米，從而在尺寸方面打破了紀錄。

背景2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）用一種簡單方法，從石墨薄片中剝離出了石墨烯。為此，他們二人榮獲了2010年的諾貝爾物理學獎。

（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

石墨烯，是由碳原子組成六角形呈蜂巢狀結構的二維納米材料。它憑藉導電導熱性好、機械強度高、超薄透明、柔性可彎曲等優勢，一度被譽為「新材料之王」。石墨烯的發現，也激起了科學家們對二維材料的研究熱情。

（圖片來源：Graphene Flagship）

二維材料，是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度上自由運動的材料。除石墨烯外，二維材料還包括六方氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等。二維材料具有獨特的電氣、光學以及機械特性，例如良好的導電性、柔韌性以及強度，從而有望應用於雷射器、光伏電池、傳感器和醫療電子等領域。

由二硫化鉬製成的超薄柔性微處理器（圖片來源：Stefan Wachter/維也納技術大學）

當一片二維材料放在另一片二維材料上並稍作輕旋轉時，扭轉從根本上改變了雙層材料的特性，並導致奇特的物理行為，例如高溫超導性（用於電氣工程）、非線性光學（用於雷射和數據傳輸）、結構超潤滑性（研究人員剛剛才開始了解的一種新發現的機械特性）。例如，2018年美國麻省理工學院物理系副教授 Pablo Jarillo-Herrero 領導的團隊在研究雙層石墨烯時發現，如果將其中一層石墨烯相對於另一層旋轉一個所謂的「魔力角（1.1°）」，就可以得到絕緣或者超導的狀態。

請點擊輸（圖片來源：MIT）入圖片描述

對於這些特性的研究，催生了一個新的研究領域：扭轉電子學（twistronics），這個詞是由「扭轉（twist）」和「電子學（electronics）」兩個詞組合而成。

創新近日，芬蘭阿爾託大學的研究人員與國際同事進行合作，首次開發出一種方法，在大到足夠有用的尺寸上製造這些扭曲層。他們採用的轉移二硫化鉬（MoS2）單原子層的新方法，可精準控制層間扭轉角，這些層的面積最大可達平方釐米，從而在尺寸方面打破了紀錄。大面積地控制層間扭轉角，對於扭轉電子學的未來實際應用來說至關重要。研究成果發表在《自然通信（ Nature Communications）》期刊上。

（圖片來源：MIT）

技術由於扭轉電子學研究在2018年才被引入，科學家需要進行基礎研究來更好地理解扭曲材料的特性，從而找到實際應用的方法。最負盛名的科學獎項之一「沃爾夫物理學獎」，今年授予了 Rafi Bistritzer 教授，Pablo Jarillo-Herrero 教授和 Allan H. MacDonald 教授，以表彰他們今年在扭轉電子學方面開展的開創性工作，這些工作有望改變這個新興領域的遊戲規則。先前的研究表明，通過轉移方法或原子力顯微鏡尖端操作技術，可以小尺寸地製造所需的扭轉角。樣本尺寸通常約為十微米，小於一根人類頭髮的大小。此外，他們也製造了幾層較大的薄膜，但是它們的層間扭轉角是隨機的。現在，研究人員可以使用外延生長法和水輔助轉移法來生長大型薄膜。價值

這項研究的領導作者之一、阿爾託大學的博士 Luojun Du 表示：「我們演示的扭轉方法，使我們可以在比以往任何時候都更大的面積上，調整堆疊的多層 MoS2 結構的特性。這個轉移方法也可以應用於其他二維分層材料。」

Du 表示：「由於在轉移過程中不需要聚合物，因此我們樣品的界面相對清潔。通過控制扭轉角和超清潔的界面，我們能夠調節物理性能，包括低頻夾層模式、能帶結構和光電性能。」阿爾託大學教授 Zhipei Sun 表示：「的確，這項工作對於指導基於二維材料的旋扭電子學的未來應用來說具有重要意義。」關鍵字

扭轉電子學、二維材料

參考資料

【1】Mengzhou Liao, Zheng Wei, Luojun Du, Qinqin Wang, Jian Tang, Hua Yu, Fanfan Wu, Jiaojiao Zhao, Xiaozhi Xu, Bo Han, Kaihui Liu, Peng Gao, Tomas Polcar, Zhipei Sun, Dongxia Shi, Rong Yang, Guangyu Zhang. Precise control of the interlayer twist angle in large scale MoS2 homostructures. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-16056-4

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