一项突破性的新研究引入了一种扭曲多层晶体结构，对未来材料技术有潜在的影响，利用一种新的“扭曲外延”方法，可以彻底改变半导体应用和量子电子学。
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了一种扭曲的多层晶体结构，并测量了该结构的关键特性。这种创新的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的教授、论文的合著者崔毅说。“在未来的实验中，这种三层扭曲结构可能会出现新的量子电子特性。”
添加图层，扭曲
该团队设计的晶体扩展了外延的概念，外延是一种现象，当一种晶体材料以有序的方式生长在另一种材料上时，就会发生这种现象——有点像在土壤上生长整齐的草坪，但是是在原子水平上。50多年来，理解外延生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，从手机到电脑再到太阳能电池板，它允许电流流过，而不是流过它们。
迄今为止，外延的研究主要集中在将一层材料生长到另一层上，并且两层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都取得了成功，例如晶体管、发光二极管、激光器和量子器件。但是，为了找到性能更好的新材料，以满足更苛刻的需求，比如量子计算，研究人员正在寻找其他外延设计——可能更复杂，但性能更好，因此在这项研究中展示了“扭曲外延”的概念。
最近发表在《科学》杂志上的一篇论文详细介绍了他们的实验，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。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，由于顶部和底部的薄片取向不同，金原子不能同时与两者对齐，这就使得金结构发生了扭曲。
研究生崔教授说:“由于只有底层的二硫化钼层，黄金很乐意与之对齐，所以不会发生扭曲。”“但是对于两片扭曲的二硫化钼片，黄金并不一定与顶层或底层对齐。我们设法帮助金解决了它的困惑，并发现了金的取向和双层二硫化钼的扭曲角之间的关系。”
粉碎金纳米片
为了详细研究金层，来自斯坦福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本加热到500摄氏度。然后，他们使用透射电子显微镜(TEM)技术将一束电子流通过样品，从而揭示了在不同温度下退火后金纳米片的形貌、取向和应变。测量金纳米片的这些特性是了解这种新结构如何设计用于未来实际应用的必要的第一步。
“如果没有这项研究，我们就不知道在半导体上扭曲金属外延层是否可能，”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，而且新结构可以以令人兴奋的方式控制。”
接下来，研究人员希望利用透射电镜进一步研究金纳米片的光学性质，并了解它们的设计是否会改变金的能带结构等物理性质。他们还想扩展这个概念，尝试用其他半导体材料和其他金属来构建三层结构。
斯坦福大学材料科学与工程学院的查尔斯·m·皮戈特教授、论文的合著者鲍勃·辛克莱说:“我们正在开始探索，是只有这种材料组合才能实现这一点，还是更广泛地实现这一点。”“这一发现开启了我们可以尝试的一系列全新实验。我们可能正在寻找我们可以利用的全新材料特性。”
参考文献:“在扭曲的二硫化钼衬底层之间生长的金纳米片的扭曲外延”，作者:崔毅，王景阳，李彦斌，吴业坤，Emily Been，张泽文，周嘉伟，张文博，Harold Y. Hwang, Robert Sinclair和崔毅，2024年1月11日，Science。DOI: 10.1126 / science.adk5947
