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《Nature》:對於石墨烯類2D材料,1+1不等於2!

《Nature》:對於石墨烯類2D材料,1+1不等於2!

近日消息,英國謝菲爾德大學的物理學家發現,當兩個原子級薄的石墨烯類材料相互疊加時,它們的性質會發生變化,並且出現具有新型混合特性的材料,為新材料和納米器件的設計鋪平了道路。

這種情況發生時,沒有物理混合兩個原子層,也沒有通過化學反應,而是通過弱的所謂的範德華相互作用將層彼此連接- 類似於膠帶如何附著到平坦表麵上。

在《Nature》發表的突破性研究中,科學家們還發現,通過扭轉兩個堆疊的原子層可以精確控製新混合材料的性質,為未來在納米級的複合材料和器件中實現自由度的控製開辟了道路。

堆疊不同種類的層狀材料以製造所謂的異質結構的想法可以追溯到20世紀60年代,當時研究半導體砷化镓用於製造微型激光器 – 現在以及被人們廣泛使用。

今天,異質結構是非常常見的,並且在半導體工業中被廣泛用作設計和控製器件中的電子和光學性質的工具。最近,在原子級薄的二維(2-D)晶體(例如石墨烯)時代,出現了新型的異質結構,其中原子級薄層通過相對較弱的範德華力保持在一起。

被人們稱為“範德瓦爾斯異質結構”的新結構通過將任意數量的原子級薄層堆疊在一起,開辟了創造眾多“元”材料和新型設備的巨大潛力。傳統的三維材料無法實現數百種組合,而這種新結構可能會獲得新的未開發的光電器件功能或不尋常的材料特性。

在這項研究中,研究人員使用了由所謂的過渡金屬二硫化物(TMD)製成範德瓦爾斯異質結構,這是一種常見的的層狀材料。它的三維體積形式有點類似於石墨 (鉛筆芯中使用的材料),可以提取單個2-D原子碳層石墨烯。

研究人員發現,當兩個原子級薄的半導體TMD在一個結構中組合時,它們的特性會發生雜化。來自謝菲爾德大學的亞曆山大·塔爾塔科夫斯基教授說:“這些材料相互影響並改變彼此的屬性,必須被視為一種具有獨特屬性的全新’元’材料 – 所以一加一不等於二。

“我們還發現,這種雜化的程度很大程度上取決於每層各個原子晶格之間的扭曲。我們發現,當原子層扭曲時,新的超原子周期性出現在異質結構中 – 稱為莫爾超晶格。”

“莫爾超晶格,其周期取決於扭曲角度,決定了兩種半導體的特性如何雜化。”

在其他研究中,已經發現並研究了類似的效應,主要是在石墨烯中,石墨烯是二維材料族的“創始”成員。最新研究表明,其他材料,特別是半導體如TMD,顯示出強烈的雜化,此外還可以通過扭轉角來控製。

科學家們相信這項研究顯示了創造新型材料和設備的巨大潛力。

Tartakovskii教授補充說:“範德瓦爾斯異質結構中原子級薄材料之間相互作用的複雜情況越來越多。這令人興奮,因為它提供了獲得更廣泛的材料特性的機會,例如不尋常和扭曲可調的導電性和光學響應,磁性等。在設計新的基於2-D的設備時,這可以並將被用作新的自由度。”研究人員希望進一步研究以探索更多的材料組合,以了解新方法的功能。

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