2024-04-19 10:52 来源：得道网
硅基电子产品正在接近其物理极限，需要新的材料来跟上当前的技术需求。二维(2D)材料具有丰富的特性，包括超导性和磁性，是电子系统(如晶体管)中有前途的候选者。然而，精确地控制这些材料的性质是非常困难的。
为了理解二维界面是如何以及为什么呈现出这样的结构，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发了一种方法，利用透射电子显微镜(TEM)，将二维材料从原子到原子的热诱导重排，从扭曲结构到排列结构，可视化。
他们在这个过程中观察到一种新的意想不到的机制，即在一个单层中播种新的颗粒，其结构由相邻的层模板化。能够控制层之间的宏观扭曲允许对整个系统的属性进行更多的控制。
这项研究由材料科学与工程教授黄pinshane和博士后研究员张毅超领导，最近发表在《科学进展》杂志上。
“双层的界面如何彼此对齐以及通过什么机制它们转换成不同的配置是非常重要的，”张说。“它控制着整个双层系统的特性，进而影响其纳米级和微观行为。”
二维多层膜的结构和性质通常是高度不均匀的，并且在样品之间甚至在单个样品内变化很大。两层之间只有几度扭曲的设备可能会有不同的行为。众所周知，二维材料在电子设备制造过程中发生的加热等外部刺激下也会重新配置。
“人们通常认为这两层就像两张纸相互扭曲45度。为了让这些层从扭曲变为对齐，你只需要旋转整张纸，”张说。“但我们发现，实际上，它有一个核——一个局部的纳米级排列结构域，这个结构域的尺寸越来越大。在适当的条件下，这个对齐的区域可以占据整个双层结构的大小。”
虽然研究人员推测这可能会发生，但在原子尺度上还没有任何直接的可视化来证明或反驳这一理论。然而，张和其他研究人员能够直接跟踪单个原子的运动，以观察微小的排列区域的生长。他们还观察到，排列区域可以在相对较低的温度下形成，~200°C，在2D器件的典型加工温度范围内。
没有足够小、足够快的相机来捕捉原子动力学。那么，该团队是如何将这种原子间的运动可视化的呢?这个解决方案非常独特。他们首先将扭曲的双分子层封装在石墨烯中，实质上是在其周围建立一个小的反应室，以便在加热时以原子分辨率观察双分子层。石墨烯的封装有助于将双分子层的原子固定在适当的位置，这样就可以观察到任何结构转变，而不是晶格被透射电镜的高能电子破坏。
然后将封装的双层膜放在可以快速加热和冷却的芯片上。为了捕获快速原子动力学，样品在100-1000°C之间进行了半秒的热脉冲。在每次脉冲之后，研究小组将使用TEM观察原子的位置，然后重复这个过程。
黄解释说:“实际上，你可以观察到系统的变化，当原子从最初的配置进入到它们想要的能量有利的配置时。”“这可以帮助我们了解它的初始结构，因为它是制造的，以及它是如何随着热量而演变的。”
了解重排是如何发生的，有助于在纳米尺度上调整界面排列。“人们对这种可调性有多兴奋，这是无法言表的，”黄说。
“两层之间的宏观扭曲是一个非常重要的参数，因为当你在另一层上旋转时，你实际上可以改变整个系统的属性。例如，如果将二维材料石墨烯旋转到一个特定的角度，它就会变成超导材料。对于一些材料，如果你旋转它们，你就改变了带隙，从而改变了它吸收的光的颜色和它发出的光的能量。所有这些都是通过改变层间原子的方向来改变的。”
更多资料:张一超等，二维过渡金属二硫族化合物中moir
由伊利诺伊大学格兰杰工程学院提供
引用本文:Atom-by-atom:成像二维材料的结构转换(2024,4月17日)，2024年4月18日检索自https://phys.org/news/2024-04-atom-imaging-2d-materials.html
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