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

图片来源：University of California, Los Angeles

由加州大学洛杉矶分校领导的一个研究小组已经制作出了二维材料中原子的三维实验图谱，这种材料并不是真正的二维材料，但几乎是扁平的，因为它被排列在极薄的层中，只有几个原子那么厚。

虽然基于二维材料的技术还没有在商业应用中得到广泛应用，但是这种材料已经引起了相当大的研究兴趣。在未来，它们可能成为半导体的基础，用于更小的电子产品、量子计算机组件、更高效的电池，或者能够从盐水中提取淡水的过滤器。

二维材料（2D）的前景源于某些特性，这些特性不同于相同元素或化合物在大量出现时的表现。这些独特的特性受到量子效应的影响——这些现象发生在非常小的尺度上，这与在更大尺度上看到的经典物理学有着根本的不同。例如，当碳被排列在原子薄层中形成二维石墨烯时，它比钢更坚固，导热性比任何其他已知材料都好，电阻几乎为零。

但是在实际应用中使用二维材料需要更好地理解它们的特性，以及控制这些特性的能力。这项发表在《自然材料》杂志上的新研究可能是这方面努力的一个进步。 

研究人员表示，他们绘制的这种材料原子结构的三维图谱精确到皮米级——以1万亿分之一米来测量。他们用这一测量方法来量化二维材料的缺陷，这些缺陷会影响其电子性能，并准确地评估这些电子性能。

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:“这项研究的独特之处在于，我们不用任何现有的模型就能确定三维空间中单个原子的坐标。”“我们的方法可以用于各种二维材料。”

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系统研究所的成员。他在加州大学洛杉矶分校的实验室与哈佛大学、橡树岭国家实验室和莱斯大学的研究人员合作进行了这项研究。 

研究人员检测了一层二硫化钼，这是一种经常被研究的二维材料。在散装时，这种化合物用作润滑剂。作为一种二维材料，它的电子特性表明它可以用于下一代半导体电子。被研究的样品“掺杂”了微量的铼，这种金属在取代钼时增加了多余的电子。这种掺杂通常用于制造计算机和电子器件的元件，因为它有助于促进电子在半导体器件中的流动。

为了分析这种二维材料，研究人员使用了一种基于扫描透射电子显微镜的新技术，这种技术通过测量穿过薄样品散射电子来产生图像。Jianwei Miao的团队发明了一种名为“扫描原子电子断层”的技术，这种技术通过在样品旋转时从多个角度捕捉样品来生成三维图像。

科学家们不得不避免一个主要的挑战来制作这些图像：2D材料可能被过多的暴露在电子中而遭到损坏。因此，对于每一个样本，研究人员都是一段一段地重建图像，然后将它们拼接在一起，形成一个单独的3D图像——这使得他们使用更少的扫描，因此比一次性成像整个样本使用更少的电子剂量。

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

由此产生的图像使研究人员能够在钼原子的情况下以4皮米的精度检查样品的三维结构——比氢原子直径小26倍。这种精度水平使他们能够测量波纹、扭曲材料形状的应变和化学键大小的变化，所有这些变化都是由添加的铼引起的，这是迄今为止对二维材料的这些特性最精确的测量。

“如果我们只是假设引入掺杂剂是一种简单的替代，我们就不会期望出现很大的应变，”该论文的共同第一作者、加州大学洛杉矶分校博士后Xuezeng Tian说，“但我们观察到的情况比之前的实验要复杂得多。”

科学家们发现，最大的变化发生在二维材料的最小维度上，也就是它的三个原子那么高。只需一个铼原子就能引起这种局部畸变。

在获得了这种材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材料的电子特性进行了量子力学计算。

Narang说:“这些原子尺度的实验为我们提供了一个新的视角，来研究二维材料的行为，以及它们在计算中应该如何处理，它们可能会成为新量子技术的游戏规则改变者。”

由于无法获得研究中产生的那种测量数据，这种量子力学计算通常是基于理论模型系统，预期在绝对零温度下进行。

研究表明，测量的三维坐标可以更准确地计算二维材料的电子特性。

该研究的第一作者之一、加州大学洛杉矶分校的博士后学者Dennis Kim说:“我们的工作可以通过使用试验性的3D原子坐标作为直接输入来改变量子力学计算。”“这种方法将使材料工程师能够更好地预测和发现二维材料在单原子水平上的新的物理、化学和电子特性。”

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