科学家发现新型二维量子材料 质量增加100倍

科学家发现新型二维量子材料 质量增加100倍 "CeSiI中的电子比普通材料中的电子质量大100倍。这就是它们被称为重费米子的原因。"这项研究背后的乌普萨拉大学研究人员之一Chin-Shen Ong说："CeSiI的特别之处在于，这种有效质量是各向异性的，它取决于电子在原子层中移动的方向。"瑞典乌普萨拉大学物理与天文学系研究员Chin-Shen Ong。资料来源：乌普萨拉大学这项研究是乌普萨拉大学材料理论研究人员与美国哥伦比亚大学研究人员的合作成果。对于乌普萨拉大学的材料研究人员来说，主要问题是从理论上研究材料中电子的量子特性。重费米子的背景和意义重费米子化合物是一类电子相互作用异常强烈的材料。在此过程中，它们在所谓的量子波动中协调运动。这种相互作用使电子的质量比普通材料中的电子大 100 或 1000 倍。这些量子波动被认为在许多至今无法解释的量子现象中发挥了重要作用，如非常规超导现象（电流可以通过材料而不损失能量）和磁性。这种新型量子材料是在哥伦比亚大学实验室合成的，其独特之处在于它具有类似二维的晶体结构，各层之间有明显的分离，原子厚度很薄。这些层由铈、硅和碘（CeSiI）组成，是首例具有重费米子的二维材料。有关重费米子材料的研究已经进行了几十年，但直到现在，研究重点仍是原子紧密排列成三维结构的材料。早在 20 世纪 70 年代，乌普萨拉大学的研究人员就开始重点研究铈基材料，并取得了巨大成功。然而，由哥伦比亚大学实验室合成的这种新材料却独一无二，因为它具有类似二维的晶体结构，各层之间有明显的分离，原子厚度很薄。这些层由铈层、硅层和碘层（CeSiI）组成，是首例具有重费米子的二维材料。"有了这一发现，我们现在有了一个大大改进的材料平台，可以用来研究相关电子结构。二维材料就像乐高积木。我们的合作伙伴已经在着手添加其他二维材料的层，以创造出一种具有定制量子特性的新材料，"Chin-Shen Ong 说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导

科学家发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导 美国海军研究实验室（NRL）与堪萨斯州立大学合作，宣布发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导。这一里程碑式的发现已在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上发表。二维（2D）材料是一类可以通过机械剥离层来还原到单层极限的材料,通过所谓的"苏格兰胶带"法，可以利用微弱的层间吸引力或范德华吸引力将各层分开。最著名的二维材料石墨烯是一种由单层碳原子组成的半金属材料。最近，包括半导体过渡金属二掺杂物（TMDs）和绝缘六方氮化硼（hBN）在内的其他二维材料也引起了人们的关注。当降低到接近单层极限时，二维材料具有独特的纳米级特性，这对制造原子级薄型电子和光学设备很有吸引力。新型材料与应用部门的 Samuel Lagasse 博士说："我们知道使用六方氮化硼会使我们的样品具有出色的光学特性，但我们谁也没想到它还能起到波导的作用。由于氮化硼在基于二维材料的设备中应用如此广泛，这种作为光波导的新用途可能会产生广泛的影响。"六边形氮化硼波导中的波导光致发光共聚焦显微镜图像，边缘的叶状图案让人联想到锦鲤绕池游。图片由 Samuel LaGasse 于 2023 年 4 月拍摄。图片来源：美国海军研究实验室/Samuel LaGasse石墨烯和 TMD 单层材料对周围环境都极为敏感。因此，研究人员试图通过将这些材料封装在钝化层中来保护它们。这就是氢溴酸硼的作用所在：氢溴酸硼层能够"筛选"石墨烯或 TMD 层附近的杂质，从而产生奇妙的特性。在最近由 NRL 领导的工作中，对发光 TMD 层周围的 hBN 厚度进行了仔细调整，以支持光波导模式。波导技术的进步NRL 的研究人员小心翼翼地将被称为"范德华异质结构"的二维材料堆叠在一起。这些异质结构因分层而具有特殊的性能。在二硒化钼或二硒化钨等 TMD 的单层周围放置了 hBN 板，这些 TMD 可以发射可见光和近红外线。hBN 板的厚度经过仔细调整，这样发射的光就会被困在 hBN 内并被波导。当光波导到氢化硼的边缘时，就会散射出来，并被显微镜探测到。六边形氮化硼波导的实空间（左）和傅立叶空间（右）光致发光图像。实空间图像显示了样品内部发出光致发光的位置，而傅立叶空间图像则描述了发出光的角度。图片由 Nicholas Proscia 于 2023 年 4 月拍摄。图片来源：美国海军研究实验室/Nicholas Proscia这项研究的动力来自于二维 TMD 光学测量所面临的挑战。当激光聚焦在 TMD 上时，会产生称为激子的粒子。大多数激子在 TMD 平面外发光，但在某些 TMD 中存在一种难以捉摸的激子，被称为"暗"激子，它在 TMD 平面内发光。NRL 的板坯波导可以捕捉暗激子发出的光，从而提供了一种对其进行光学研究的方法。"二维材料具有奇特的光电特性，对海军非常有用，"Lagasse 说。"一个巨大的挑战是在不损坏现有平台的情况下将这些材料与现有平台连接起来这些氮化硼波导是实现这一目标的一步"。NRL 研究人员使用两种特殊类型的光学显微镜来鉴定氢化硼波导。其中一种装置允许研究人员从光谱学角度解析波导不同点发出的光致发光。另一种装置可以让他们观察发射光的角度分布。NRL 研究人员还开发了波导的三维电磁模型。建模结果为设计未来使用片状波导的二维设备提供了一个工具包。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

超越石墨烯：二维材料的新世界正在开启

超越石墨烯：二维材料的新世界正在开启 厚度只有几个原子的材料薄得惊人，具有独特的性能，因此在储能、催化和水净化方面具有吸引力。瑞典林雪平大学的研究人员现已开发出一种方法，可以合成数百种新型二维材料。他们的研究发表在《科学》杂志上。自石墨烯发现以来，极薄材料（即所谓的二维材料）的研究领域呈指数级增长。究其原因，二维材料相对于其体积或重量而言具有较大的表面积。这就产生了一系列物理现象和独特性能，如良好的导电性、高强度或耐热性，使得二维材料在基础研究和应用领域都备受关注。林雪平大学副教授约纳斯-比约克。图片来源：Thor Balkhed"在一层只有一毫米薄的薄膜中，可以有数百万层材料。"林雪平大学材料物理学教授约翰娜-罗森（Johanna Rosén）说："层与层之间可以发生大量化学反应，因此二维材料可用于储能或生成燃料等。"最大的二维材料家族被称为 MXenes。MXenes 由一种称为 MAX 相的三维母材料生成。它由三种不同的元素组成：M 是过渡金属，A 是（A 族）元素，X 是碳或氮。通过酸性物质去除 A 元素（剥离），就形成了二维材料。到目前为止，MXenes 是唯一以这种方式制造出来的材料系列。林雪平的研究人员提出了一种理论方法，用于预测可能适合转化为二维材料的其他三维材料。他们还证明了该理论模型与现实是一致的。周杰，林雪平大学助理教授。图片来源：Olov Planthaber研究人员采用了三步法。第一步，他们开发了一个理论模型来预测哪些母体材料适用。利用国家超级计算机中心的大规模计算，研究人员从一个数据库和 66,643 种材料中筛选出 119 种有前途的 3D 材料。下一步是尝试在实验室中制造这种材料。"在 119 种可能的材料中，我们研究了哪些材料具有所需的化学稳定性，哪些材料是最佳候选材料。首先，我们必须合成三维材料，这本身就是一项挑战。最后，我们得到了一个高质量的样品，可以使用氢氟酸剥离和蚀刻掉特定的原子层，"物理、化学和生物系助理教授周杰说。研究人员从母体材料YRu2Si2 中去除钇（Y），从而形成了二维Ru2SixOy。Johanna Rosén，林雪平大学材料物理学教授。图片来源：Olov Planthaber但要在实验室中确认成功，还必须进行验证，这就是第三步。研究人员使用了林雪平大学的扫描透射电子显微镜 Arwen。它可以检查材料及其原子级结构。这种显微镜中还可以利用光谱学研究材料是由哪些原子组成的。"我们能够确认我们的理论模型运行良好，所产生的材料由正确的原子组成。剥离后，材料的图像就像一本书的书页。"材料设计部副教授乔纳斯-比约克（Jonas Björk）说："理论能够付诸实践，从而将化学剥离的概念扩展到更多的材料家族，而不仅仅是MXenes。"研究人员的发现意味着更多具有独特性能的二维材料指日可待。这些材料反过来又能为大量技术应用奠定基础。下一步，研究人员将探索更多潜在的前驱体材料，并扩大实验规模。Johanna Rosén 相信，未来的应用几乎是无穷无尽的。"总的来说，二维材料在大量应用中显示出巨大的潜力。例如，可以想象捕获二氧化碳或净化水。"Johanna Rosén 说："现在要做的是扩大合成规模，并以可持续的方式进行合成。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国科学家开发出无疲劳铁电材料登上Science 可实现存储芯片无限次擦写

中国科学家开发出无疲劳铁电材料登上Science 可实现存储芯片无限次擦写 研究团队基于二维滑移铁电机制，开发出一种新型的二维层状滑移铁电材料（3R-MoS2），该材料制备的存储芯片有望突破读写次数限制，实现无限次读写。该研究的核心在于利用"层间滑移"替代传统铁电材料的"离子移动"，通过AI辅助的跨尺度原子模拟分析，揭示了二维滑移铁电材料抗疲劳的微观物理机制。实验表明，采用该材料制备的铁电芯片器件在经历400万次循环电场翻转极化后，电学曲线测量显示铁电极化仍未出现衰减。此项技术不仅极大提升了存储芯片的可靠性和耐久性，还有助于降低成本，提升存储密度，未来有望在航空航天、深海探测等极端环境应用以及可穿戴设备、柔性电子技术等领域发挥重要作用。传统铁电材料和二维滑移铁电材料的疲劳特性3R-MoS2铁电器件的抗疲劳性能分析3R-MoS2铁电器件的疲劳特性 ... PC版： 手机版：

科学家用铜和碳原子锻造出世界上最细的金属丝

科学家用铜和碳原子锻造出世界上最细的金属丝 洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员利用计算方法研究了78万多种晶体的结构特性，确定了潜在的单维纳米材料，包括可能是最细的金属丝。他们的发现聚焦了14种在电子学和量子研究中具有潜在用途的材料。资料来源：NCCR MARVEL研究人员利用计算工具寻找可以从已知三维晶体中剥离出来的新型一维材料。在一份包含 78 万多种晶体的初始清单中，他们得出了一份包含 800 种一维材料的清单，并从中选出了 14 种最佳候选材料这些化合物尚未合成为真正的金属丝，但模拟结果表明是可行的。其中包括金属丝CuC2，它是由两个碳原子和一个铜原子组成的直线链，是迄今发现的在 0 K 温度下稳定的最细金属纳米线。洛桑联邦理工学院材料理论与模拟实验室的研究人员利用计算方法确定了可能是最细的金属丝，以及其他几种单维材料，这些材料的特性可能会被证明对许多应用领域很有意义。单维（或一维）材料是纳米技术最引人入胜的产品之一，由原子排列成线或管状组成。它们的电学、磁学和光学特性使其成为从微电子学到生物传感器再到催化等各种应用的绝佳候选材料。虽然碳纳米管是迄今为止最受关注的材料，但事实证明它们非常难以制造和控制，因此科学家们迫切希望找到其他化合物，用于制造具有同样有趣特性但更容易处理的纳米线和纳米管。因此，Chiara Cignarella、Davide Campi和Nicola Marzari想到利用计算机模拟来解析已知的三维晶体，根据它们的结构和电子特性，寻找那些看起来很容易"剥离"的晶体，从本质上剥离出稳定的一维结构。同样的方法过去曾成功用于研究二维材料，但这是首次应用于一维材料。研究人员从文献中的各种数据库中收集了超过 78 万个晶体，这些晶体通过范德华力（原子距离足够近，电子重叠时产生的一种微弱相互作用）结合在一起。然后，他们采用一种算法，考虑原子的空间组织，寻找具有线状结构的原子，并计算出需要多少能量才能将这种一维结构从晶体的其他部分分离出来。论文第一作者 Cignarella 说："我们一直在寻找金属丝，但这种金属丝应该很难找到，因为一维金属原则上应该不够稳定，无法进行剥离"。最终，他们得出了一份包含 800 种一维材料的清单，并从中选出了 14 种最佳候选材料这些化合物尚未合成为真正的导线，但模拟结果表明是可行的。然后，他们开始更详细地计算这些材料的特性，以验证它们的稳定性如何，以及人们对它们的电子行为有何期待。四种材料两种金属和两种半金属成为最有趣的材料。其中金属丝CuC2 是由两个碳原子和一个铜原子组成的直线链是迄今发现的在 0 K 温度下稳定的最细金属纳米线。Cignarella说："这真的很有趣，因为你不会想到由单线原子组成的实际金属丝会在金属相中保持稳定。科学家们发现，它可以从三种不同的母晶体中剥离出来，这些晶体都是实验中已知的（NaCuC2、KCuC2和 RbCuC2）。从它们中提取这种物质所需的能量很少，而且其链可以弯曲，同时保持其金属特性，这将使它对柔性电子产品产生兴趣。"这项发表在《ACS Nano》上的研究还发现了其他有趣的材料，其中包括半金属Sb2Te2，由于其特性，可以研究一种 50 年前就被预测但从未被观测到的奇异物质状态，即激子绝缘体，这是量子现象在宏观尺度上变得可见的罕见情况之一。此外，还有另一种半金属Ag2Se2 和TaSe3，后者是一种著名的化合物，也是唯一一种已经在实验中剥离成纳米线的化合物，科学家将其作为基准。至于未来，Cignarella 解释说，研究小组希望与实验人员合作，实际合成这些材料，同时继续进行计算研究，了解它们如何传输电荷以及在不同温度下的表现。这两点对于了解它们在实际应用中的性能至关重要。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破 这幅艺术家的作品展示了麻省理工学院研究人员开发的一种新型集成平台。通过对表面力进行工程设计，他们只需一个接触和释放步骤，就能将二维材料直接集成到设备中。图片来源：Sampson Wilcox/电子研究实验室提供但是，将二维材料集成到计算机芯片等设备和系统中是众所周知的难题。这些超薄结构可能会受到传统制造技术的破坏，这些技术通常依赖于使用化学品、高温或蚀刻等破坏性工艺。为了克服这一挑战，麻省理工学院和其他大学的研究人员开发出了一种新技术，只需一步就能将二维材料集成到设备中，同时保持材料表面和由此产生的界面原始无缺陷。他们的方法依赖于纳米级的工程表面力，使二维材料可以物理叠加到其他预制设备层上。由于二维材料不会受损，研究人员可以充分利用其独特的光学和电学特性。所开发的平台利用行业兼容的工具集，使这一过程可以扩展。在这里，主要作者彼得-萨特斯韦特（Peter Satterthwaite）使用 MIT.nano 中修改过的配准工具进行图案化配准集成。他们利用这种方法制造出了二维晶体管阵列，与使用传统制造技术制造出的器件相比，实现了新的功能。他们的方法用途广泛，可用于多种材料，可在高性能计算、传感和柔性电子器件等领域广泛应用。释放这些新功能的核心是形成清洁界面的能力，所有物质之间存在的特殊力量（称为范德华力）将这些界面连接在一起。电子工程与计算机科学（EECS）助理教授、电子学研究实验室（RLE）成员 Farnaz Niroui 是介绍这项工作的新论文的资深作者。"范德华积分有一个基本限制，"她解释说，"由于这些作用力取决于材料的内在特性，因此无法轻易调整。因此，有些材料无法仅利用其范德华相互作用来直接相互整合。我们提出了一个解决这一限制的平台，以帮助范德华集成变得更加通用，从而促进具有新功能和改进功能的基于二维材料的设备的开发。"Niroui 与论文第一作者、电子工程与计算机科学研究生 Peter Satterthwaite，电子工程与计算机科学教授、RLE 成员 Jing Kong，以及麻省理工学院、波士顿大学、台湾国立清华大学、台湾国家科学技术委员会和台湾国立成功大学的其他人共同撰写了这篇论文，这项研究最近发表在《自然-电子学》上。纳米级表面力的多样性使研究人员能够将粘合剂基质转移到许多不同的材料上。例如，在这里，通过使用粘合聚合物，他们能够将图案化的石墨烯（一原子厚的碳薄片）从源基底（上图）转移到接收粘合聚合物（下图）上。图片来源：Niroui 小组提供使用传统制造技术制造计算机芯片等复杂系统可能会变得一团糟。通常情况下，像硅这样的硬质材料会被凿成纳米级，然后与金属电极和绝缘层等其他元件连接，形成有源器件。这种加工过程会对材料造成损害。最近，研究人员专注于使用二维材料和一种需要连续物理堆叠的工艺，自下而上地构建设备和系统。在这种方法中，研究人员不是使用化学胶水或高温将脆弱的二维材料粘合到硅等传统表面上，而是利用范德华力将一层二维材料物理集成到设备上。范德华力是存在于所有物质之间的自然吸引力。例如，壁虎的脚会因为范德华力而暂时粘在墙上。虽然所有材料都存在范德华力，但根据材料的不同，范德华力并不总是强大到足以将它们粘在一起。例如，一种名为二硫化钼的流行半导体二维材料会粘在黄金上，但不会通过与二氧化硅等绝缘体表面的物理接触直接转移到该表面上。然而，通过整合半导体层和绝缘层制成的异质结构是电子设备的关键组成部分。以前，实现这种集成的方法是将二维材料粘合到一个中间层（如金）上，然后使用该中间层将二维材料转移到绝缘体上，最后再使用化学品或高温去除中间层。麻省理工学院的研究人员没有使用这种牺牲层，而是将低粘性绝缘体嵌入高粘性基质中。这种粘合基质使二维材料粘附在嵌入的低粘合力表面上，提供了在二维材料和绝缘体之间形成范德华界面所需的力。制作矩阵为了制造电子设备，他们在载体基底上形成金属和绝缘体的混合表面。然后将该表面剥离并翻转，就会看到一个完全光滑的顶面，其中包含所需的器件构件。这种光滑度非常重要，因为表面和二维材料之间的间隙会阻碍范德华相互作用。然后，研究人员在完全洁净的环境中单独制备二维材料，并将其与制备好的器件堆栈直接接触。"一旦混合表面与二维层接触，无需任何高温、溶剂或牺牲层，它就能拾取二维层并将其与表面整合在一起。"萨特斯韦特解释说："通过这种方式，我们可以实现传统上被禁止的范德华集成，但现在却可以实现，而且只需一步就能形成功能齐全的器件。"这种单步工艺可使二维材料界面保持完全清洁，从而使材料达到其性能的基本极限，而不会受到缺陷或污染的影响。而且，由于二维材料的表面也保持原始状态，研究人员可以对二维材料的表面进行工程设计，以形成与其他元件的特征或连接。例如，他们利用这种技术制造出了 p 型晶体管，而利用二维材料制造这种晶体管通常是具有挑战性的。他们的晶体管在以前的研究基础上有所改进，可以为研究和实现实用电子产品所需的性能提供一个平台。展望未来他们的方法可以大规模地制造更大的装置阵列。粘合基质技术还可用于一系列材料，甚至与其他力量结合使用，以增强这一平台的多功能性。例如，研究人员将石墨烯集成到器件上，利用聚合物基质形成所需的范德华界面。在这种情况下，粘附依靠的是化学作用，而不仅仅是范德华力。未来，研究人员希望以此平台为基础，整合各种二维材料库，在不受加工损伤影响的情况下研究其内在特性，并利用这些卓越功能开发新的设备平台。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：