研究人员为经典材料设计增添了新的“转折”

科学家们发现，当晶体夹在两个基板之间时，它们会扭曲——这是探索电子和其他应用新材料特性的关键一步。

来自美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的研究人员首次培育出扭曲的多层晶体结构，并测量了该结构的关键特性。这种创新结构有可能帮助创造用于太阳能电池、量子计算、激光和各种其他技术的先进材料。

“这种结构是我们以前从未见过的——这对我来说是一个巨大的惊喜，”斯坦福大学和SLAC教授、论文合著者崔毅说。“在未来的实验中，这种三层扭曲结构中可能会出现一种新的量子电子特性。

添加图层，扭曲

该团队设计的晶体扩展了外延的概念，当一种晶体材料以有序的方式生长在另一种材料之上时，就会发生这种现象——有点像在土壤上种植整齐的草坪，但在原子水平上。50 多年来，了解外延增长对许多行业的发展至关重要，尤其是半导体行业。事实上，外延是我们今天使用的许多电子设备的一部分，从手机到计算机再到太阳能电池板，允许电流流过它们，而不是流过它们。

迄今为止，外延研究的重点是将一层材料生长到另一层材料上，并且两种材料在界面处具有相同的晶体取向。几十年来，这种方法在许多应用中取得了成功，例如晶体管、发光二极管、激光器和量子器件。但是，为了找到能够更好地满足更苛刻需求的新材料，如量子计算，研究人员正在寻找其他外延设计——那些可能更复杂但性能更好的设计，因此本研究中展示了“扭曲外延”概念。

在他们的实验中，最近在S cience上发表的一篇论文中详细介绍了研究人员在两片传统半导体材料二硫化钼（MoS₂）之间添加了一层金。由于顶板和底板的方向不同，金原子不能同时与两者对齐，这使得金结构扭曲，崔教授在斯坦福大学材料科学与工程专业的研究生、该论文的合著者崔毅说。

“只有底部的MoS₂层，黄金很乐意与它对齐，所以不会发生扭曲，”研究生崔说。“但是对于两张扭曲的 MoS₂ 片，黄金不确定是否与顶层或底层对齐。我们设法帮助金解决了它的困惑，并发现了Au的方向与双层MoS₂的扭转角之间的关系。

Zapping Gold 纳米圆盘

为了详细研究金层，斯坦福大学材料与能源科学研究所（SIMES）和LBNL的研究小组将整个结构的样品加热到500摄氏度。然后，他们使用一种称为透射电子显微镜（TEM）的技术将电子流发送到样品中，该技术揭示了在不同温度下退火后金纳米盘的形态，取向和应变。测量金纳米盘的这些特性是了解未来如何为实际应用设计新结构的必要第一步。

“如果没有这项研究，我们将不知道在半导体顶部扭曲外延金属层是否可能，”研究生崔说。“用电子显微镜测量完整的三层结构证实，这不仅是可能的，而且可以以令人兴奋的方式控制新结构。

接下来，研究人员希望使用TEM进一步研究金纳米盘的光学特性，并了解它们的设计是否会改变金的能带结构等物理特性。他们还希望扩展这一概念，尝试用其他半导体材料和其他金属构建三层结构。

“我们开始探索是否只有这种材料组合才能做到这一点，或者它是否更广泛地发生，”斯坦福大学材料科学与工程学院Charles M. Pigott教授、论文合著者Bob Sinclair说。“这一发现开启了我们可以尝试的一系列全新实验。我们可能正在寻找可以利用的全新材料特性。