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二维材料最精确3D图像可轻松生成 或改变新量子技术的游戏规则
2020-03-12 08:10  点击数:

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图片来历:University of California, Los Angeles

由加州大学洛杉矶分校领导的一个研讨小组现已制造出了二维资料中原子的三维试验图谱,这种资料并不是真实的二维资料,但简直是扁平的,因为它被摆放在极薄的层中,只要几个原子那么厚。

尽管根据二维资料的技能还没有在商业运用中得到广泛运用,可是这种资料现已引起了相当大的研讨爱好。在未来,它们或许成为半导体的根底,用于更小的电子产品、量子核算机组件、更高效的电池,或许可以从盐水中提取淡水的过滤器。

二维资料(2D)的远景源于某些特性,这些特性不同于相同元素或化合物在大量呈现时的体现。这些一起的特性遭到量子效应的影响——这些现象发生在十分小的标准上,这与在更大标准上看到的经典物理学有着底子的不同。例如,当碳被摆放在原子薄层中构成二维石墨烯时,它比钢更巩固,导热性比任何其他已知资料都好,电阻简直为零。

可是在实践运用中运用二维资料需求更好地了解它们的特性,以及操控这些特性的才能。这项宣布在《天然资料》杂志上的新研讨或许是这方面尽力的一个前进。 

研讨人员标明,他们制造的这种资料原子结构的三维图谱精确到皮米级——以1万亿分之一米来丈量。他们用这一丈量办法来量化二维资料的缺点,这些缺点会影响其电子功能,并精确地评价这些电子功能。

加州大学洛杉矶分校的物理学和天文学教授、通讯作者Jianwei Miao说:“这项研讨的一起之处在于,咱们不必任何现有的模型就能确认三维空间中单个原子的坐标。”“咱们的办法可以用于各种二维资料。”

Jianwei Miao是STROBE国家科学基金会科技中心副主任,也是加州大学洛杉矶分校加州纳米体系研讨所的成员。他在加州大学洛杉矶分校的试验室与哈佛大学、橡树岭国家试验室和莱斯大学的研讨人员协作进行了这项研讨。 

研讨人员检测了一层二硫化钼,这是一种经常被研讨的二维资料。在散装时,这种化合物用作润滑剂。作为一种二维资料,它的电子特性标明它可以用于下一代半导体电子。被研讨的样品“掺杂”了微量的铼,这种金属在代替钼时增加了剩余的电子。这种掺杂一般用于制造核算机和电子器材的元件,因为它有助于促进电子在半导体器材中的活动。

为了剖析这种二维资料,研讨人员运用了一种根据扫描透射电子显微镜的新技能,这种技能经过丈量穿过薄样品散射电子来发生图画。Jianwei Miao的团队发明晰一种名为“扫描原子电子断层”的技能,这种技能经过在样品旋转时从多个视点捕捉样品来生成三维图画。

科学家们不得不防止一个首要的应战来制造这些图画:2D资料或许被过多的暴露在电子中而遭到损坏。因而,关于每一个样本,研讨人员都是一段一段地重建图画,然后将它们拼接在一起,构成一个独自的3D图画——这使得他们运用更少的扫描,因而比一次性成像整个样本运用更少的电子剂量。

这两个样品各自的标准为6nm×6nm,每个较小部分的标准为1nm×1nm。(纳米是一米的十亿分之一。)

由此发生的图画使研讨人员可以在钼原子的状况下以4皮米的精度查看样品的三维结构——比氢原子直径小26倍。这种精度水平使他们可以丈量波纹、歪曲资料形状的应变和化学键巨细的改动,所有这些改动都是由增加的铼引起的,这是迄今为止对二维资料的这些特性最精确的丈量。

“假如咱们仅仅假定引进掺杂剂是一种简略的代替,咱们就不会希望呈现很大的应变,”该论文的一起榜首作者、加州大学洛杉矶分校博士后Xuezeng Tian说,“但咱们观察到的状况比之前的试验要杂乱得多。”

科学家们发现,最大的改动发生在二维资料的最小维度上,也便是它的三个原子那么高。只需一个铼原子就能引起这种部分畸变。

在取得了这种资料的三维坐标信息后,由Prineha Narang教授领导的哈佛大学科学家对这种资料的电子特性进行了量子力学核算。

Narang说:“这些原子标准的试验为咱们供给了一个新的视角,来研讨二维资料的行为,以及它们在核算中应该怎么处理,它们或许会成为新量子技能的游戏规则改动者。”

因为无法取得研讨中发生的那种丈量数据,这种量子力学核算一般是根据理论模型体系,预期在肯定零温度下进行。

研讨标明,丈量的三维坐标可以更精确地核算二维资料的电子特性。

该研讨的榜首作者之一、加州大学洛杉矶分校的博士后学者Dennis Kim说:“咱们的作业可以经过运用试验性的3D原子坐标作为直接输入来改动量子力学核算。”“这种办法将使资料工程师可以更好地猜测和发现二维资料在单原子水平上的新的物理、化学和电子特性。”

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

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