一类新的二维材料

由加州大学洛杉矶分校的科学家和工程师领导的一个研究小组开发了一种制造新型人工“超晶格”的方法 - 由超薄“二维”薄片交替层组成的材料，这些薄片只有一个或几个原子厚。与当前现有技术的超晶格不同，其中交替层具有相似的原子结构，因此具有相似的电子特性，这些交替层可具有完全不同的结构，性质和功能，这是以前不可获得的。

例如，虽然这种新型超晶格的一层可以允许电子快速流过它，但另一种类型的层可以充当绝缘体。这种设计将电子和光学特性限制在单个有源层，并防止它们干扰其他绝缘层。

这种超晶格可以形成改进的和新类别的电子和光电器件的基础。应用包括用于计算机和智能设备中的晶体管的超快速和超高效半导体，以及先进的LED和激光器。

与目前用于创建2D超晶格的传统逐层组装或生长方法相比，新的UCLA引导的从2D材料制造超晶格的工艺更加快速和高效。最重要的是，新方法很容易产生具有数十，数百甚至数千个交替层的超晶格，这在其他方法中是不可能的。

这种新型超晶格交替使用与不同形状和大小的分子间隔开的2D原子晶体片。实际上，这个分子层成为第二个“片”，因为它通过“范德瓦尔斯”力保持在适当位置，弱静电力以保持其他中性分子彼此“附着”。这些新的超晶格被称为“单层原子晶体分子超晶格”。

该研究发表在“ 自然”杂志上，由加州大学洛杉矶分校化学与生物化学教授Xiangfeng Duan和加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院材料科学与工程教授Yu Huang领导。

“传统的半导体超晶格通常只能由具有高度相似晶格对称性的材料制成，通常具有相当类似的电子结构，”Huang说。“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几乎完美。这种新的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。”

构建超晶格的一种当前方法是手动将超薄层一个堆叠在另一个之上。但这是劳动密集型的。另外，由于薄片状薄片易碎，因此在放置过程中许多薄片会破裂需要很长时间。另一种方法是使用称为“化学气相沉积”的过程在另一个上面生长一个新层。但由于这意味着需要不同的条件，例如热量，压力或化学环境来生长每层，该过程可能导致改变或破坏下面的层。该方法也是劳动密集型的，收率低。

创建单层原子晶体分子超晶格的新方法使用称为“电化学插层”的过程，其中施加负电压。这将带负电的电子注入2D材料中。然后，这将带正电荷的铵分子吸引到原子层之间的空间中。这些铵分子自动组装成有序晶体结构的新层，形成超晶格。

“将二维材料想象成一堆扑克牌，”段说。“然后想象一下，我们可以让一大堆附近的塑料珠子以完美的顺序插入自己，夹在每张卡片之间。这就是类似的想法，但是有二维材料和铵分子的晶体。”

研究人员首次展示了使用黑磷作为基础2D原子晶体材料的新技术。使用负电压，带正电的铵离子被吸引到基材中，并将它们自身插入层状原子磷片之间。

在取得这一成功之后，该团队将不同类型的具有不同尺寸和对称性的铵分子插入到一系列2D材料中，以创建一类广泛的超晶格。他们发现，他们可以定制所得单层原子晶体分子超晶格的结构，这些超晶格具有多种理想的电子和光学特性。“所得到的材料可用于制造功率更低的晶体管，或用于产生高效光 - 发送设备，“段说。