發現完美的金三角！利用納米材料創造新的機遇

一百年前「2D」（二維）的意思是一銅板或1寸的釘子，而今天「2D」涵蓋了廣泛的原子薄扁平材料，其中許多具有在相同材料的大塊等效材料中找不到奇異屬性，石墨烯（單原子厚的碳形式）可能是最突出的。雖然許多大學和研究機構的研究人員都在探索二維材料及其特殊性質，但材料科學家們對這些二維材料和普通三維材料結合在一起時會發生什麼非常感興趣。對2D材料和3D材料之間的接口感興趣，因為想在應用程式中使用每一個2D材料，比如電子設備，仍然需要與外部三維世界連接。

現在正處於一個有趣的時期，因為電子顯微鏡等儀器設備有了巨大發展，人們對具有非常精確控制的結構和性能的材料非常感興趣，這兩件事以一種迷人的方式交叉。Ross專門研究納米材料如何在氣體和液體介質中生長和反應，通過使用電子顯微鏡記錄影像。液體中的反應，顯微鏡對於理解電化學反應的機理特別有用，這些電化學反應控制著催化劑、電池、燃料電池和其他重要技術的性能。在液相顯微鏡的情況下，還可以觀察物體溶解的地方的腐蝕，而在氣體中，可以觀察單個晶體如何生長，或者材料是如何與氧發生反應。

記錄影像

IBM捐贈給麻省理工學院的一個實驗設置，超高真空蒸發器系統首先到達，隨後直接連接到專門設計的透射電子顯微鏡上，這給了強大的可能性。可以把樣品放在真空中，清潔它，對它做各種各樣的事情，比如加熱和添加其他材料，然後在真空下將它轉移到顯微鏡中，在那裡可以在記錄圖像的同時做更多實驗。例如可以沉積矽或鍺，或蒸發金屬，而樣品在顯微鏡中，電子束通過它照射，記錄這一過程的影像。在等待透射電子顯微鏡建立的同時，本研究組的成員，製作並研究了各種自組裝結構。

蒸發器系統暫時安置在MIT.nano的五層原型空間，而Ross的實驗室則在13號樓準備就緒。所有人都對材料科學這一重大挑戰感興趣，這就是：如何製造出一種具有你想要性能的材料，特別是，你如何使用納米尺度來調整這些性能，並創造出新的性能，這是你無法從散裝材料中獲得的？利用超高真空系統，研究人員在幾種二維材料上形成了金和鈮的結構。Shu Fen Tan合成了鎳——鉑納米顆粒，並使用另一種技術——液細胞電子顯微鏡對其進行了檢查。

可以安排只溶解鎳，留下尖刺的白金骨架，在液體細胞內部，能夠在高空間和時間解析度下看到整個過程。鉑是一種貴金屬，比鎳活性低，所以在適當的條件下，鎳參與電化學溶解反應，而鉑被留在後面。Tan指出，鉑在有機化學和燃料電池材料中是一種眾所周知的催化劑，但它也很昂貴，因此尋找與鎳等價格較低材料的組合是可取的。這是一個例子，可以使用液體電池技術在電子顯微鏡中成像材料反應的範圍，可以生長材料；可以蝕刻它們；例如可以觀察氣泡的形成和流體的運動。

這項技術的一個特別重要應用是研究電池材料的循環。顯然，不能把AA電池放在這裡，但可以在這個非常小的液體電池裡裝上重要的材料，然後你可以來回循環它，然後問，如果我充電和放電10次，會發生什麼？它不再像以前那樣工作了——它怎麼會出故障呢？在液體電池中可以觀察到某種故障分析和充放電的所有中間階段。顯微鏡實驗可以看到反應的每一個步驟，這給了研究人員更好的機會去理解正在發生的事情。

Moiré模式，完美的金三角

Reidy對如何控制金在石墨烯、二硒化鎢和二硫化鉬等二維材料上的生長感興趣。當將金沉積在「髒」的石墨烯上時，金塊聚集在雜質周圍。但是當Reidy在石墨烯上生長金子時，石墨烯被加熱並清除了雜質，從而發現了完美的金三角。在清潔石墨烯的頂部和底部沉積黃金，Reidy在顯微鏡中看到了稱為Moiré模式的特徵，這些特徵是在重疊的晶體結構不對齊時產生。金三角可以用作光子和等離子體結構，這可能對很多應用程式都很重要，我們總是很有趣地看到發生了什麼。

研究人員計劃擴展清潔的生長方法，在具有不同旋轉角的堆疊2D材料和其他混合層結構上形成3D金屬晶體，Reidy感興趣的是石墨烯和六方氮化硼(HBN)的性質，以及兩種以二維單層形式進行半導體的材料，即二硫化鉬(MoS2)和二硒化鎢(WSe2)。在2D材料中非常有趣的一個方面是2D材料和3-D金屬之間的聯繫。如果想製造半導體器件或含石墨烯的器件，接觸可以是石墨烯外殼的歐姆接觸或半導體外殼的肖特基接觸，而這些材料之間的界面非常重要。你也可以想像設備使用石墨烯，就像兩種其他材料之間的間隔層一樣。

對於設備製造商來說，有時重要的是讓3D材料生長，使其原子排列與下面2D層中的原子排列完全一致，這就是所謂的外延生長。在描述石墨烯上金和銀一起生長的圖像時，發現銀不是外延生長的，它不會在石墨烯上形成想要製造的完美單晶，而是首先沉積黃金，然後在周圍沉積銀，幾乎可以迫使銀變成外延形狀，因為它想要符合其金鄰居正在做的事情。電子顯微鏡圖像也可以顯示晶體中的不完美，如漣漪或彎曲。電子顯微鏡強大之一是它對原子排列的變化非常敏感，如有一個完美的晶體，它看起來都是一樣的灰色，但是如果在結構上有一個局部的變化，甚至是一個細微的變化，電子顯微鏡可以檢測到它。

即使變化只是在原子的頂部幾層內，而不會影響到下面的其他材料，圖像也會顯示出獨特的特徵，從而能夠弄清楚發生了什麼。Reidy還在探索將鈮(一種在低溫下超導的金屬)與2D拓撲絕緣體碲化鉍相結合的可能性，拓撲絕緣子具有迷人的性質，其發現還獲得了諾貝爾物理學獎。如果在碲化鉍上沉積鈮，具有非常好的界面，就可以製作超導結。科學家一直在研究鈮沉積，看到的不是三角形，而是更像樹枝狀的結構。樹枝狀結構看起來像冬天窗戶內部形成的霜狀圖案，或者一些蕨類植物的羽狀圖案。

在鈮的沉積過程中改變溫度和其他條件可以改變材料所採用的模式。所有研究人員都渴望新的電子顯微鏡到達MIT.nano，以進一步了解這些材料的行為。nano的Osherov注意到兩個低溫透射電子顯微鏡(cryo-TEM)已經安裝並運行。目標是建立一個獨特以顯微鏡為中心的社區。鼓勵並希望促進cryo-EM研究人員之間的交叉研究，主要專注於生物應用和『軟』材料。約翰·奇普曼材料科學和工程副教授詹姆斯·M·勒博(James M.LeBeau)最新增加具有增強分析能力的掃描透射電子顯微鏡(超高能量解析度單色器、4-D STEM探測器、Super-X EDS探測器、斷層攝影術和幾個原位支架)一旦安裝，將大大增強顯微鏡能力。

博科園｜研究/來自：麻省理工學院

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