解密二维材料中的混乱无序

美国的研究人员对二维 (2D) 材料中的混乱无序进行了量化，以打造性能更好的量子、光学和电子器件。

下一波的量子、光学和电子器件将由功能强大的二维材料构建。这些材料可以在室温下承载运行量子比特（qubit），从而使固态量子技术在根本上比传统的量子技术更加强大。

但是，它们有一个弱点。与 3D 系统不同，在 3D 系统中，几乎所有的原子都不会受到环境的影响，而 2D 材料则暴露在自然环境中，并且容易受到来自附近材料或空气中化学物质的外部交互影响。这些交互影响实际上能够改变系统的原子排列。

如果研究人员打算用二维材料制造新型器件，他们就必需了解它们的原子在哪里，以及微小的缺陷如何改变其材料和电子特性。

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS)、加利福尼亚大学洛杉矶分校和橡树岭国家实验室的研究人员已经结合实验和理论技术来测量二维过渡金属双硫分子配合物材料中所有原子的原子位置，并计算该排列如何影响系统各个不同区域的电子特性。

此项研究的相关成果发表在《自然材料》(Nature Materials) 杂志上。

研究人员发现材料远非完美，原子不断地错位、丢失或被其他东西所取代。

SEAS 的 NarangLab 研究生、该论文的合著者 christopher Ciccarino说：“虽然丢失的原子和被取代的原子会改变局部相互作用和原子组态是有道理的，但是，如果要回答‘改变的幅度是多少？’这个问题则并不容易。”

通过与加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 物理与天文学系教授 John Miao 合作，研究人员使用高性能的扫描电子显微镜来测量单个原子的精确位置以及相对于二维薄片的不同角度的图像原子组态。

在确定了这些位置之后，研究团队分析了晶格，以了解缺陷是如何在其属性中起作用的。

SEAS 计算材料科学助理教授、该论文的合著者 Prineha Narang 说：“晶格内的缺陷造成了局部混乱无序和不规则性。即使在缩小时，空缺和缺陷的聚集似乎也会对混乱无序起到推波助澜的作用。特别是，二维片材并不是真正的二维，而是在第三维度上存在着长距离的涟波。”

Ciccarino说：“我们看到的是这些想像上的二维片材，它们倾向于使用此第三维度，而不是保持完美的平坦度。然后考虑这将如何影响材料的观察特性是很有趣的。”研究人员发现，局部无序会对二维材料的电子和光学特性产生显著的影响，包括在材料发光效率方面造成的巨大影响。

Narang 说：“理论家通常必须对他们的系统做出一些假设，以便与实验结果进行比较。这里，我们处于一种独特而令人兴奋的情况下，我们可以将自己的方法与用实验方法计算的坐标直接相交。对原子无序和与环境的交互作用进行直接定量分析，这可能是一种充分了解这些材料的性质和潜力的宝贵技术。”

这项研究得到了美国国防部陆军研究办公室有关从头计算量子材料 (AIQM) 的多学科大学研究创新计划 (MURI) 以及贝蒂与戈登摩尔基金会的资助。PN 是摩尔发明家团体特别会员 (Moore Inventor Fellow)。扫描透射电子显微镜试验在美国纳米相材料科学研究中心进行，该显微镜是一部安放在美国橡树岭国家实验室的美国能源部科学办公室用户装置。

参考文献

'Correlating the three-dimensional atomic defects and electronic properties of two-dimensional transition metal dichalcogenides' （将三维原子缺陷与二维过渡金属双硫分子配合物的电子特性关联起来） by Xuezeng Tian et al; Nature Materials (2020)