一類新的二維材料

由加州大學洛杉磯分校的科學家和工程師領導的一個研究小組開發了一種制造新型人工“超晶格”的方法 - 由超薄“二維”薄片交替層組成的材料，這些薄片只有一個或幾個原子厚。與當前現有技術的超晶格不同，其中交替層具有相似的原子結構，因此具有相似的電子特性，這些交替層可具有完全不同的結構，性質和功能，這是以前不可獲得的。

例如，雖然這種新型超晶格的一層可以允許電子快速流過它，但另一種類型的層可以充當絕緣體。這種設計將電子和光學特性限制在單個有源層，并防止它們干擾其他絕緣層。

這種超晶格可以形成改進的和新類別的電子和光電器件的基礎。應用包括用于計算機和智能設備中的晶體管的超快速和超高效半導體，以及先進的LED和激光器。

與目前用于創建2D超晶格的傳統逐層組裝或生長方法相比，新的UCLA引導的從2D材料制造超晶格的工藝更加快速和高效。最重要的是，新方法很容易產生具有數十，數百甚至數千個交替層的超晶格，這在其他方法中是不可能的。

這種新型超晶格交替使用與不同形狀和大小的分子間隔開的2D原子晶體片。實際上，這個分子層成為第二個“片”，因為它通過“范德瓦爾斯”力保持在適當位置，弱靜電力以保持其他中性分子彼此“附著”。這些新的超晶格被稱為“單層原子晶體分子超晶格”。

該研究發表在“ 自然”雜志上，由加州大學洛杉磯分校化學與生物化學教授Xiangfeng Duan和加州大學洛杉磯分校Samueli工程學院材料科學與工程教授Yu Huang領導。

“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制成，通常具有相當類似的電子結構，”Huang說。“我們第一次創造了具有完全不同層的穩定超晶格結構，但每層內的原子分子排列幾乎完美。這種新的超晶格結構具有可定制的電子特性，可用于潛在的技術應用和進一步的科學研究。”

構建超晶格的一種當前方法是手動將超薄層一個堆疊在另一個之上。但這是勞動密集型的。另外，由于薄片狀薄片易碎，因此在放置過程中許多薄片會破裂需要很長時間。另一種方法是使用稱為“化學氣相沉積”的過程在另一個上面生長一個新層。但由于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層，該過程可能導致改變或破壞下面的層。該方法也是勞動密集型的，收率低。

創建單層原子晶體分子超晶格的新方法使用稱為“電化學插層”的過程，其中施加負電壓。這將帶負電的電子注入2D材料中。然后，這將帶正電荷的銨分子吸引到原子層之間的空間中。這些銨分子自動組裝成有序晶體結構的新層，形成超晶格。

“將二維材料想象成一堆撲克牌，”段說。“然后想象一下，我們可以讓一大堆附近的塑料珠子以完美的順序插入自己，夾在每張卡片之間。這就是類似的想法，但是有二維材料和銨分子的晶體。”

研究人員首次展示了使用黑磷作為基礎2D原子晶體材料的新技術。使用負電壓，帶正電的銨離子被吸引到基材中，并將它們自身插入層狀原子磷片之間。

在取得這一成功之后，該團隊將不同類型的具有不同尺寸和對稱性的銨分子插入到一系列2D材料中，以創建一類廣泛的超晶格。他們發現，他們可以定制所得單層原子晶體分子超晶格的結構，這些超晶格具有多種理想的電子和光學特性。“所得到的材料可用于制造功率更低的晶體管，或用于產生高效光 - 發送設備，“段說。