研究人員開發了一種新的二維材料

由加州大學洛杉磯分校的科學家們和工程師們帶領的一個研究團隊已經開發出了一種製造新型人工「超晶格」材料的方法，該材料由多個超薄的二維片材交替層組成。這些片材僅有一個或幾個分子厚。不同於現有最先進的超晶格（其中交替層具有相同的原子結構和電子特性），加州大學洛杉磯分校的科學家們和工程師們帶領的研究團隊所開發的超晶格中的交替層可以具有完全不同的結構、特性和功能，而這在之前是不可能的。

例如，雖然這種新型超晶格的一層可以允許電子快速通過，另一種類型層卻可以充當絕緣體。這種設計將電子和光學特性局限於單個活動層，並能防止它們干擾其他絕緣層。

這種超晶格是改進型和新型電子和光電器件的基礎。可以應用在計算機和智能設備、先進的發光二極體和激光器中的超快和超高效半導體晶體管上。

與傳統的逐層組裝或目前用於製造二維超晶格的增長方法相比，這種由加州大學洛杉磯分校主持的將二維材料製造成超晶格的新型加工工藝速度更快，效率更高。最重要的是，新方法容易產生具有數十，數百甚至數千個交替層的超晶格，這對於其他方法來說是不可能的。

圖片是一種關於兩種單層原子晶體分子超晶格的藝術概念圖。左邊是二硫化鉬和銨分子層，右邊是黑磷和銨分子層。（圖片來源：加州大學洛杉磯分校Samueli工程）

這種新型的超晶格交替出現了與不同形狀和尺寸的分子相互間隔的二維原子晶體薄片。實際上，這個分子層成為第二個「片」，因為它通過「范德華力」保持在適當的位置，弱的靜電力可以保持中性分子彼此「附著」。這些新的超晶格被稱為「單層原子晶體分子超晶格」。

發表在Nature（"Monolayer atomic crystal molecular superlattices"）上的這項研究，是由加州大學洛杉磯分校化學和生物化學教授Xiangfeng Duan和Samueli工程學院材料科學與工程教授Yu Huang主持的。

「傳統的半導體超晶格通常只能由具有高度相似晶格對稱性的材料製成，通常具有相似的電子結構，」Huang說。「這是第一次，我們創造了具有完全不同層次的穩定的超晶格結構，然而在每層都有幾乎完美的原子-分子排列。這種新型的超晶格結構具有可調節的電子性質，具有潛在的技術應用和進一步的科學研究價值。

目前一種構建超晶格的方法是手動將超薄層疊放在另一層之上。但這是非常精細密集的勞動。另外，由於片狀片材很脆弱，所以需要很長時間才能製作，因為在放置過程中會有很多片材破裂。另一種方法是叫做「化學氣相沉積法」，這種工藝是在一層上生長一層新層。但是，因為這意味著需要不同的條件，例如熱量，壓力或化學環境來生長每一層，所以該過程可能導致改變或破壞在下面的層。這種方法也是勞動強度大，收益率低。

一種創建單層原子晶體分子超晶格的新方法使用了一種稱為「電化學插層」的過程，在這個過程中施加負電壓。這將帶負電荷的電子注入到2D材料中。然後，這將正電荷的銨分子吸引到原子層之間的空間中。這些銨分子會自動組裝成有序晶體結構中的新層，形成超晶格。

That"s the analogous idea, but with a crystal of 2D material and ammonium molecules." 「把二維材料想像成一堆撲克牌，」 Duan說。「然後想像一下，我們可以讓大量的塑料珠子以完美的順序插入，夾在每張卡片之間，就是這種類似的想法，只不過對應是二維材料和銨分子的晶體。」

研究人員首先展示了使用黑磷作為基礎二維原子晶體材料的新技術。利用負電壓，帶正電荷的銨離子被吸引到基材中，並插入到層狀原子磷片之間。

在取得成功之後，研究小組將不同類型的具有各種尺寸和對稱性的銨分子插入一系列2D材料中，以創建一大類超晶格。他們發現他們可以調整所得到的單層原子晶體分子超晶格的結構，這種結構具有多種多樣的理想電子和光學特性。「由此產生的材料可以用於製造能耗更少的更快的晶體管，或者製造出更高效的發光器件。」 Duan說。

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