二维材料的“超晶格”为新型电子设备带来了希望

自从石墨烯被发现以来，工程师们对超薄二维材料的特性更加熟悉。但到目前为止，这些材料的潜在应用仅取决于这些层的均匀堆叠的性质。加州大学洛杉矶分校(UCLA)的化学家和材料科学家已经开发出一种由不同材料层组成的“超晶格”技术。他们声称，这些物质可以构成微处理器中超高速和超高效晶体管的基础，以及先进的led和激光器。

艺术家的印象，左，二硫化钼/氨超晶格，右，黑磷/氨。图片:加州大学洛杉矶分校塞缪尔利工程

这些定制特性的关键在于，不像目前的超晶格，相邻层必须具有非常相似的原子结构和电子特性，新技术允许完全不同的结构、特性和功能彼此相邻，但不会相互干扰。例如，一层可以允许电子通过或穿过它快速传输，而下一层可以是绝缘体。

中描述的自然，新的超晶格交替二维原子晶体片与各种形状和大小的分子。分子层是由范德华力(van der Waals forces)、由分子中不对称和波动的电子运动引起的静电吸引(electrostatic引力)保持在原位的，这比分子或晶体中原子之间的键要弱得多。实际上，分子层形成了第二“薄片”。

“传统的半导体超晶格通常只能由晶格对称性高度相似的材料制成，通常具有相当相似的电子结构，”加州大学洛杉矶分校塞缪尔工程学院材料科学与工程教授黄宇说，他与化学与生物化学教授段祥峰共同进行了这项研究。“我们第一次创造了具有完全不同层的稳定超晶格结构，但每层内的原子-分子排列近乎完美。这种新型超晶格结构具有可定制的电子特性，可用于潜在的技术应用和进一步的科学研究。”

这种组装超晶格的方法是新颖的。该团队使用了一种称为电化学插层的方法，而不是手动将它们堆叠在一起，这样有破坏层的风险，而且很耗时，或者使用化学气相沉积法在彼此的顶部生长薄片，这需要每层不同的条件，可能会改变第一层生长的性质。对二维材料施加负电压，向其结构中注入电子。它们吸引带正电的铵分子进入原子层之间的空间。在结晶二维薄片之间，铵分子自动自组装成新的层。铵分子可以被改变，正常NH3的氢分子被不同形状、大小和功能的有机基团所取代，形成具有体超晶格所需性质的插层。

“把二维材料想象成一叠扑克牌，”段说。然后想象一下，我们可以让附近的一大堆塑料珠子以完美的顺序插入，夹在每张卡片之间。这是一个类似的想法，但是是二维材料和铵分子的晶体。”

该团队首先展示了使用黑磷作为基础二维材料的技术，并在层状磷片之间插入铵。随着实验的成功，他们用改性铵创造了一种新的超晶格。

点击这里了解更多工程新闻