二維材料最精確3D圖像可輕鬆生成 或改變新量子技術的遊戲規則

2020-12-06 前瞻網

圖片來源：University of California, Los Angeles

由加州大學洛杉磯分校領導的一個研究小組已經製作出了二維材料中原子的三維實驗圖譜，這種材料並不是真正的二維材料，但幾乎是扁平的，因為它被排列在極薄的層中，只有幾個原子那麼厚。

雖然基於二維材料的技術還沒有在商業應用中得到廣泛應用，但是這種材料已經引起了相當大的研究興趣。在未來，它們可能成為半導體的基礎，用於更小的電子產品、量子計算機組件、更高效的電池，或者能夠從鹽水中提取淡水的過濾器。

二維材料（2D）的前景源於某些特性，這些特性不同於相同元素或化合物在大量出現時的表現。這些獨特的特性受到量子效應的影響——這些現象發生在非常小的尺度上，這與在更大尺度上看到的經典物理學有著根本的不同。例如，當碳被排列在原子薄層中形成二維石墨烯時，它比鋼更堅固，導熱性比任何其他已知材料都好，電阻幾乎為零。

但是在實際應用中使用二維材料需要更好地理解它們的特性，以及控制這些特性的能力。這項發表在《自然材料》雜誌上的新研究可能是這方面努力的一個進步。 

研究人員表示，他們繪製的這種材料原子結構的三維圖譜精確到皮米級——以1萬億分之一米來測量。他們用這一測量方法來量化二維材料的缺陷，這些缺陷會影響其電子性能，並準確地評估這些電子性能。

加州大學洛杉磯分校的物理學和天文學教授、通訊作者Jianwei Miao說:「這項研究的獨特之處在於，我們不用任何現有的模型就能確定三維空間中單個原子的坐標。」「我們的方法可以用於各種二維材料。」

Jianwei Miao是STROBE國家科學基金會科技中心副主任，也是加州大學洛杉磯分校加州納米系統研究所的成員。他在加州大學洛杉磯分校的實驗室與哈佛大學、橡樹嶺國家實驗室和萊斯大學的研究人員合作進行了這項研究。 

研究人員檢測了一層二硫化鉬，這是一種經常被研究的二維材料。在散裝時，這種化合物用作潤滑劑。作為一種二維材料，它的電子特性表明它可以用於下一代半導體電子。被研究的樣品「摻雜」了微量的錸，這種金屬在取代鉬時增加了多餘的電子。這種摻雜通常用於製造計算機和電子器件的元件，因為它有助於促進電子在半導體器件中的流動。

為了分析這種二維材料，研究人員使用了一種基於掃描透射電子顯微鏡的新技術，這種技術通過測量穿過薄樣品散射電子來產生圖像。Jianwei Miao的團隊發明了一種名為「掃描原子電子斷層」的技術，這種技術通過在樣品旋轉時從多個角度捕捉樣品來生成三維圖像。

科學家們不得不避免一個主要的挑戰來製作這些圖像：2D材料可能被過多的暴露在電子中而遭到損壞。因此，對於每一個樣本，研究人員都是一段一段地重建圖像，然後將它們拼接在一起，形成一個單獨的3D圖像——這使得他們使用更少的掃描，因此比一次性成像整個樣本使用更少的電子劑量。

這兩個樣品各自的尺寸為6nm×6nm，每個較小部分的尺寸為1nm×1nm。(納米是一米的十億分之一。)

由此產生的圖像使研究人員能夠在鉬原子的情況下以4皮米的精度檢查樣品的三維結構——比氫原子直徑小26倍。這種精度水平使他們能夠測量波紋、扭曲材料形狀的應變和化學鍵大小的變化，所有這些變化都是由添加的錸引起的，這是迄今為止對二維材料的這些特性最精確的測量。

「如果我們只是假設引入摻雜劑是一種簡單的替代，我們就不會期望出現很大的應變，」該論文的共同第一作者、加州大學洛杉磯分校博士後Xuezeng Tian說，「但我們觀察到的情況比之前的實驗要複雜得多。」

科學家們發現，最大的變化發生在二維材料的最小維度上，也就是它的三個原子那麼高。只需一個錸原子就能引起這種局部畸變。

在獲得了這種材料的三維坐標信息後，由Prineha Narang教授領導的哈佛大學科學家對這種材料的電子特性進行了量子力學計算。

Narang說:「這些原子尺度的實驗為我們提供了一個新的視角，來研究二維材料的行為，以及它們在計算中應該如何處理，它們可能會成為新量子技術的遊戲規則改變者。」

由於無法獲得研究中產生的那種測量數據，這種量子力學計算通常是基於理論模型系統，預期在絕對零溫度下進行。

研究表明，測量的三維坐標可以更準確地計算二維材料的電子特性。

該研究的第一作者之一、加州大學洛杉磯分校的博士後學者Dennis Kim說:「我們的工作可以通過使用試驗性的3D原子坐標作為直接輸入來改變量子力學計算。」「這種方法將使材料工程師能夠更好地預測和發現二維材料在單原子水平上的新的物理、化學和電子特性。」

原文來源：https://phys.org/news/2020-03-deciphering-disorder-d-materials-surprisingly.html

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