通过掺杂电子来修改2D材料的结构构造

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在2017 年10月11 日《自然》杂志上发表的一项研究中,研究人员发现了一种通过向材料中注入电子(即“掺杂”)来可逆地改变2D材料的原子结构的技术。与用于修改材料结构的布局的其他流行技术相比,该技术使用的能量要少得多。可以注入电子来驱动材料中的结构相变。通过将电子添加到材料中,总能量会增加,并且会失去平衡,从而导致原子结构重新排列为更稳定的新模式。这种在2D极限处由电子掺杂驱动的结构相变不仅在基础物理学中很重要,而且在物理上也很重要。它还为下一代超薄设备中的新型电子存储器和低功耗开关打开了大门。在一种流行的数字电路中,将材料的结构布局从一个阶段修改为另一个阶段是基本的二进制功能。具有这种相变能力的电子组件的尺寸已大大减小到薄纸形式。但是,即使在今天,科学家也认为它们是大块的3D层。相反,二维单层材料由分子或原子的单层形成,其厚度比人的头发小100,000倍。电子掺杂改变材料原子结构的想法是2-D材料所特有的,与3-D块状材料相比,其电可调性更高。

使材料发生结构转变的标准技术包括加热到500°C以上。诸如此类的技术会消耗大量能量,因此无法应用于实际应用。此外,多余的热量会大大降低集成电路组件的使用寿命。

许多研究小组分析了使用化学物质来修饰半导体材料中原子的结构布局。然而,该方法迄今为止难以控制,并且尚未广泛用于工业应用。

使用静电掺杂来控制二维材料的原子构型。与使用化学药品相比,我们的方法可逆且无杂质。它具有集成到手机,计算机和其他电子设备制造中的更大潜力。

用一种具有超高电容即可以存储电荷的离子液体(DEME-TFSI)涂覆了经典的2D半导体二碲化钼(MoTe 2)。离子液体层使研究小组能够以一万亿厘米的密度将半导体中的电子掺杂到半导体中,达到半导体的1平方厘米。根据研究人员的说法,该电子密度的大小比3D体材料中的电子密度高一到两个数量级。

通过光谱分析,阐明了电子掺杂将二碲化钼原子的构型从六边形变为单斜晶形(即倾斜的长方体形)。收回电子时,发现晶体结构反转为其原始的六边形图案,表明相变可以反转。此外,两种类型的原子排列的对称性显着不同,从而确保了在光学组件中使用时的巨大差异。

这种原子上薄的设备可能具有双重功能,同时用作光或电晶体管,因此拓宽了我们日常生活中使用的电子设备的功能。

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