由加州大學(xué)洛杉磯分校的科學(xué)家和工程師領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組開發(fā)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(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)的超晶格不同，其中交替層具有相似的原子結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，性質(zhì)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(dāng)絕緣體。這種設(shè)計將電子和光學(xué)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(jìn)的和新類別的電子和光電器件的基礎(chǔ)。應(yīng)用包括用于計算機(jī)和智能設(shè)備中的晶體管的超快速和超高效半導(dǎo)體，以及先進(jìn)的LED和激光器。

與目前用于創(chuàng)建2D超晶格的傳統(tǒng)逐層組裝或生長方法相比，新的UCLA引導(dǎo)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(chǎn)生具有數(shù)十，數(shù)百甚至數(shù)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(shí)際上，這個分子層成為第二個“片”，因?yàn)樗ㄟ^“范德瓦爾斯”力保持在適當(dāng)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(fā)表在“ 自然”雜志上，由加州大學(xué)洛杉磯分?；瘜W(xué)與生物化學(xué)教授Xiangfeng Duan和加州大學(xué)洛杉磯分校Samueli工程學(xué)院材料科學(xué)與工程教授Yu Huang領(lǐng)導(dǎo)。

“傳統(tǒng)的半導(dǎo)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(dāng)類似的電子結(jié)構(gòu)，”Huang說。“我們第一次創(chuàng)造了具有完全不同層的穩(wěn)定超晶格結(jié)構(gòu)，但每層內(nèi)的原子分子排列幾乎完美。這種新的超晶格結(jié)構(gòu)具有可定制的電子特性，可用于潛在的技術(shù)應(yīng)用和進(jìn)一步的科學(xué)研究。”

構(gòu)建超晶格的一種當(dāng)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(xué)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(xué)環(huán)境來生長每層，該過程可能導(dǎo)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(chuàng)建單層原子晶體分子超晶格的新方法使用稱為“電化學(xué)插層”的過程，其中施加負(fù)電壓。這將帶負(fù)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(jié)構(gòu)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(chǔ)2D原子晶體材料的新技術(shù)。使用負(fù)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(tuán)隊(duì)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(chuàng)建一類廣泛的超晶格。他們發(fā)現(xiàn)，他們可以定制所得單層原子晶體分子超晶格的結(jié)構(gòu)，這些超晶格具有多種理想的電子和光學(xué)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(chǎn)生高效光 - 發(fā)送設(shè)備，“段說。