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：

新型光学超材料可实现真正的单向透光玻璃

新型光学超材料可实现真正的单向透光玻璃 在纳米尺度上控制和操纵光的能力为超材料在各个领域的应用开辟了广阔天地。现在，芬兰阿尔托大学的研究人员创造出了一种新的光学超材料，它可能使真正的单向透光玻璃成为现实。磁电（ME）效应的最一般形式是指材料的磁性和电性之间的耦合。在光学频率下，磁化对传统材料的影响可以忽略不计，但使用超材料则可以增强这种影响，在超材料中，光的电分量可以诱导磁化，而磁分量可以产生偏振。以往的研究表明，微波频率的磁性很强，在这一频谱范围内会产生明显的超材料效应。尽管经过了二十年的理论研究，但直到现在，人们还很难实现在这一范围之外工作的超材料。全电磁频谱示意图这种新型超材料依赖于非互惠磁电效应（NME）。非互易磁电效应意味着材料的磁化和偏振特性与光或其他电磁波的不同成分相关联。"到目前为止，NME效应还没有实现现实的工业应用，"该研究的主要作者沙迪-萨法伊-贾兹（Shadi Safaei Jazi）说。"大多数提出的方法只能用于微波，而不能用于可见光，而且也无法用现有技术制造出来"。研究人员利用现有技术和纳米制造技术成功克服了这些问题，创造出一种三维光学 NME 超材料，其单个元原子由传统材料钴和硅制成，可自发磁化。这种新型超材料为那些原本需要强大外部磁场才能发挥作用的应用铺平了道路，例如真正的单向玻璃。目前所谓的"单向"玻璃实际上只是半透明的，光线可以从两个方向穿过。当两侧亮度不同时，它就像单向玻璃。然而，基于 NME 的单向玻璃不需要这种亮度差异，因为光线只能够从一个方向穿过。"想象一下，在你的房子、办公室或汽车里有一扇装有这种玻璃的窗户，"Safaei 说。"无论外面的光线如何，人们都无法看到里面的任何东西，而你却可以从窗户欣赏到完美的景色。"这种超材料还有可能阻挡现有太阳能电池向太阳辐射的热辐射，从而降低其捕获的能量，从而提高太阳能电池的效率。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。 ... 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：

中国科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备

中国科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备 二维过渡金属碲化物材料是一类新兴的二维材料，由碲原子（Te）和过渡金属原子（如钼、钨、铌等）组成，其微观结构类似于“三明治”，过渡金属原子被上下两层的碲原子“夹”住，形成层状二维材料。因具有奇特的超导、磁性、催化活性等物理和化学性质，二维过渡金属碲化物材料在量子通讯、催化、储能、光学等领域展现出重要应用潜力，受到了国际学术界的广泛关注。科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备（中国科学院大连化学物理研究所供图）“比如，二维过渡金属碲化物具有高导电性和大比表面积，可作为高性能超级电容器和电池的电极材料；同时二维过渡金属碲化物纳米片表面具有丰富可调的活性位点，可用作制备绿氢和双氧水的电催化剂，提高催化剂的选择性、效率和性能；此外，该材料还展现出特有的量子现象，如超导和巨磁电阻等，可作为下一代低功耗器件和高密度磁性存储器件的材料。”论文共同通讯作者、中国科学院大连化物所研究员吴忠帅解释。然而，目前该材料还无法实现高质量的批量制备，阻碍了其实际应用。二维过渡金属碲化物材料一般采用“自上而下”的制备方法，如同拆解积木，通过机械力或化学作用方式将其一层一层剥离下来，从而制备出单层的二维纳米片。常用的“自上而下”方法有化学插层剥离法、球磨法、胶带剥离法、液相超声法等，其中化学插层剥离法的剥离效率虽然最高，但剥离仍需要数小时。批量化可控制备二维过渡金属碲化物纳米片（中国科学院大连化学物理研究所供图）科学家们大多采用有机锂试剂作为插层剂，即将含有锂离子的插层剂插入块体层状结构材料的片层中，并利用锂和水的反应使插层剂“膨胀”，在每一层间形成一个“气压柱”，将叠在一起的纳米片层层“撑开”，就如同使用了一把“化学刮刀”一层一层地将纳米片“刮”下来，这种层间的气体膨胀作用力远大于机械剥离力，可以提高剥离效率。“但是，有机锂是一种易燃易爆的液体试剂，具有很大的安全隐患。因此，实现安全、高效的化学剥离成为科学家努力的目标。”吴忠帅说。此次，科研人员创新性地采用固相化学插层剥离方法，筛选出了一种固相插层试剂硼氢化锂。硼氢化锂具有强还原性质，在干燥空气中稳定，可用于高温固相插锂反应，解决了插层反应速度慢的问题，从而实现了安全、高效、快速的插层剥离。整个插层剥离过程只需10分钟，可批量制备出百克级（108克）碲化铌纳米片，与液相化学插层剥离法制备量均小于1克相比，此方法的产量提升了两个数量级。值得关注的是，科研人员还利用此方法制备出了五种不同过渡金属的二维过渡金属碲化物纳米片和十二种合金化合物纳米片，证明这种方法具有普适性。“该方法简单、快速、高效，对二维材料的宏量制备具有普适意义。”《自然》审稿人对该方法给予了高度评价。吴忠帅表示，利用该方法制备出的二维过渡金属碲化物纳米片的溶液和粉体具有良好的加工性能，可以作为各种功能性浆料，实现薄膜、丝网印刷器件、3D打印器件、光刻器件的高效和定制化加工等，有望在高性能量子器件、柔性电子、微型超级电容器、电池、催化、电磁屏蔽、复合材料等方向发挥重要作用。 ... PC版： 手机版：

小变化，大影响：同位素研究有望改变二维半导体工程

小变化，大影响：同位素研究有望改变二维半导体工程 研究人员发现，改变单层二硫化钼半导体中钼的同位素质量，可以改变该层在光照下发出的光的颜色。这项研究揭示了同位素工程设计二维材料新技术的潜力。资料来源：Chris Rouleau/ORNL，美国能源部同位素是一种元素家族中的成员，它们的质子数相同，但中子数不同，因此质量也不同。同位素工程学传统上侧重于增强在三维（或三维）范围内具有统一特性的所谓块体材料。但由 ORNL 领导的新研究推进了同位素工程的前沿领域，即电流被限制在平面晶体内的二维（或二维）范围内，而且一层只有几个原子厚。二维材料前景广阔，因为它们的超薄特性可以实现对其电子特性的精确控制。ORNL科学家肖凯说："当我们在晶体中置换一种较重的钼同位素时，我们在单层二硫化钼的光电特性中观察到了令人惊讶的同位素效应，这种效应为设计用于微电子、太阳能电池、光电探测器甚至下一代计算技术的二维光电器件带来了机遇。"研究小组成员于一玲利用不同质量的钼原子，生长出了原子薄二硫化钼的同位素纯二维晶体。在光激发或光刺激下，于发现晶体发出的光的颜色发生了微小变化。肖说："出乎意料的是，钼原子较重的二硫化钼发出的光向光谱的红色端偏移得更远，这与人们对块状材料的预期偏移相反。红色偏移表明材料的电子结构或光学特性发生了变化。"肖和研究小组与中佛罗里达大学的理论家沃洛迪米尔-特科夫斯基（Volodymyr Turkowski）和塔拉特-拉赫曼（Talat Rahman）合作，发现声子（即晶体振动）一定会在这些超薄晶体的有限尺寸内以意想不到的方式散射激子（即光激发子）。他们发现这种散射如何使较重同位素的光带隙向光谱的红色端移动。"光带隙"是指材料吸收或发射光所需的最小能量。通过调整带隙，研究人员可以使半导体吸收或发射不同颜色的光，这种可调性对于设计新设备至关重要。ORNL 的 Alex Puretzky 描述了生长在基底上的不同晶体如何因基底的区域应变而导致发射颜色的微小变化。为了证明异常同位素效应，并测量其大小以便与理论预测进行比较，于培育了二硫化钼晶体，在一个晶体中含有两种钼同位素。肖说："我们的工作是史无前例的，因为我们合成了含有两种相同元素但质量不同的同位素的二维材料，并在单层晶体中以可控和渐进的方式横向连接了同位素。这使我们能够在二维材料中观察到光学特性的内在异常同位素效应，而不会受到不均匀样品的干扰。"研究结果表明，即使原子薄的二维半导体材料中同位素质量发生微小变化，也会影响光学和电子特性，这一发现为继续研究提供了重要依据。"以前，人们认为要制造光伏和光电探测器等设备，我们必须将两种不同的半导体材料结合起来，制造结来捕获激子并分离它们的电荷。但实际上，我们可以使用相同的材料，只需改变其同位素，就能制造出捕获激子的同位素结，"肖说。"这项研究还告诉我们，通过同位素工程，我们可以调整光学和电子特性，从而设计出新的应用。"在未来的实验中，肖和团队计划与高通量同位素反应堆和美国国家实验室同位素科学与工程局的专家合作。这些设施可以提供各种高浓缩同位素前驱体，用于生长不同的同位素纯二维材料。然后，研究小组可以进一步研究同位素对自旋特性的影响，以便将其应用于自旋电子学和量子发射。描述这项研究的论文发表在《科学进展》（Science Advances）上。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：