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寻找新的2D材料以使电池更好,更便宜

“美国国家科学基金会向芝加哥伊利诺伊大学提供了144万美元的赠款,用于发现可用于制造大大改进且更便宜的电池的新型二维(2D)材料。石墨烯是2D材料中最常见的一种,它是一种非常坚固,灵活,轻巧且极佳的电和热导体。它比纸薄一百万倍,几乎是透明的,据说是世界上最坚固的材料。

继2004年发现石墨烯后,预计约有700种2D材料是稳定的。许多仍有待制造。预计全球二维材料市场将在10年内达到3.9亿美元。

希望提高2D材料的性能(他们相信二硫化钼是电池的潜在候选材料),还希望了解它们的功能。希望找到可以显着而不是逐步提高电池效率的新型催化剂材料。我们相信,与现有材料相比,新材料可将其电化学反应性能提高约1,000倍。这将是革命性的。

研究将在2D材料中添加离子液体,以刺激电化学反应,该电化学反应可用于产生可持续的能量,存储能量,制造化学物质并清除地下水,土壤,沉积物或地表水中的污染或污染物。在能量存储和转换设备(例如高级电池,燃料电池,光伏电池和化学电解槽)中使用的电催化正成为常规热催化的一种越来越重要的替代方法。但是,在将其商业化销售之前,需要在效率,降低成本和化学选择性方面进行进一步的改进。这些电池可以以多种方式使用-从操作汽车到需要时产生应急电源。该技术最终可以用于电网,从生产者向消费者供电。”

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通过掺杂电子来修改2D材料的结构构造

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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设备中的2D材料可帮助分离海水中的盐分

图片来源:曼彻斯特大学
二维(2D)材料已成功组装到设备中,该设备具有用于水淡化的尽可能小的人造孔。

曼彻斯特大学国家石墨烯研究所(NGI)的一组研究人员已经成功地在新型膜中制造了微小的缝隙,该膜的尺寸仅为几埃(0.1 nm)。这使得可以分析各种离子如何通过这些微小的孔。

缝隙由石墨烯,二硫化钼(MoS 2)和六方氮化硼(hBN)组成,令人惊讶的是,直径大于缝隙大小的离子可以透过。尺寸排阻研究可以使人们更好地了解类似规模的生物过滤器(例如水通道蛋白)的工作原理,因此将有助于开发用于水脱盐和相关技术的高通量过滤器。

对于热衷于研究流体行为及其过滤的研究人员而言,可控地制造尺寸接近小离子和单个水分子大小的毛细管是一个终极但显然遥不可及的目标。

研究人员一直在尝试复制天然存在的离子传输系统,但是事实证明这并非易事。不幸的是,用基本方法和常规材料制造的通道的尺寸受到材料表面固有的粗糙度的限制,该粗糙度通常比小离子的水合直径大至少十倍。

今年早些时候,NGI生产的基于氧化石墨烯的膜作为新过滤技术的潜在候选者引起了广泛关注。使用新的2D材料工具包进行的这项研究揭示了从盐水中提供清洁饮用水的现实世界的潜力。为了更好地理解离子传输背后的中心机制,曼彻斯特大学的安德烈·吉姆爵士(Andre Geim)率领的一个小组制作了原子扁平的狭缝,其尺寸仅为几埃。这些通道是化学惰性的,具有埃规模的光滑壁。

研究人员由两块100 nm厚的石墨晶体平板形成狭缝装置,这些石墨平板的厚度为几微米,是通过切碎大块的石墨晶体获得的。然后,他们在一个石墨晶体平板的每个边缘处放置了双层石墨烯和单层MoS 2的矩形2D原子晶体的矩形块,然后将另一个平板放置在第一个石墨晶体板上。这会在平板之间产生一个间隙,该间隙的高度与垫片的厚度相匹配。

这就像拿一本书,在其每条边缘上放置两个火柴,然后将另一本书放在顶部。这会在书的表面之间创建一个间隙,该间隙的高度等于火柴的厚度。在我们的案例中,书本是原子上扁平的石墨晶体,火柴棒是石墨烯或MoS 2单层。

组件通过范德华力保持在一起,缝隙的大小与水通道蛋白的直径大致相同,水通道蛋白的直径对于活生物体至关重要。狭缝的尺寸尽可能小,因为间隔较薄的狭缝由于相对壁之间的吸引力而不平衡且会塌陷。

如果将离子浸泡在离子溶液中时在狭缝上施加电压,离子就会流过狭缝,并且该离子流会构成电流。该团队测量了离子通过缝隙穿过氯化物溶液时的电导率,发现离子可以在施加电场的情况下穿过它们。

当我们仔细观察时,发现较大的离子穿过的速度比较小的离子(如氯化钾)的移动速度慢。

该论文的第一作者Ali Esfandiar博士补充说:“ 经典观点是直径大于狭缝尺寸的离子无法渗透,但是我们的结果表明这种解释过于简单。实际上,离子的行为就像柔软的网球,而不是坚硬的台球,而且大的离子仍然可以通过,要么扭曲其水壳,要么完全脱落。

这项发表在《科学》杂志上的新研究表明,这些新近观察到的机制对于使用尺寸排阻法进行脱盐具有至关重要的作用,并且是形成高通量淡化膜的关键步骤。

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通过化学气相沉积制造2D材料的异质结

图片来自:中国科学出版社
2D材料由特殊的晶格结构组成。通常,同一层中的原子通过共价键结合,而层之间存在的力是范德华偶合。这些材料由无任何悬挂键的超洁净表面组成。当使用2D材料构成异质结时,异质结的设计将很灵活。与同等的单组分2D材料相比,由各种2D材料开发的异质结具有有益的性能,例如优化能带排列,电荷转移,带隙和光学性能。异质结的研究被认为是2D材料领域的热门话题。

中国科学院半导体研究所的教授最近发表了一篇评论“二维异质结的化学气相沉积生长”的文章,该评论最近发表在《中国科学物理,力学与天文学》上。在这篇综述中,基于最近几年的研究,提到了用于制造2D异质结的化学气相沉积(CVD)方法。首先介绍了2D材料异质结的发展历史。随后讨论了不同生长条件对异质结的影响。最后,介绍了其他几种制备异质结的方法。在实验室中,转移方法被认为是2D材料异质结的一种很好的技术。研究人员可以使用这种简单的方法来获得所需的确切异质结。但是,对于一系列应用来说,这是不够的,稳定而高效的技术是必不可少的。将化学气相沉积引入可能的方法以产生异质结。化学气相沉积法对生长条件的变化敏感。确定各种因素对生长过程和最终异质结的影响是至关重要的研究主题。本文对温度,前驱物,晶格失配,基质,载气组成和载气流速等因素进行了分类。当因素之一改变时,获得的异质结将具有不同的成分或结构。这些因素也相互影响。因此,不能仅通过改变化学气相沉积系统的一个参数来制造预期的2D材料的异质结。例如,当使用不同的前体时,由于不同前体的蒸发温度变化,因此必须重置生长温度。除此之外,还引用了通过硫化图案化的膜例如氧化物膜,金属膜和其他成分膜来制造异质结的方法。由于不同前体的蒸发温度不同,必须重置生长温度。除此之外,还引用了通过硫化图案化的膜例如氧化物膜,金属膜和其他成分膜来制造异质结的方法。由于不同前体的蒸发温度不同,必须重置生长温度。除此之外,还引用了通过硫化图案化的膜例如氧化物膜,金属膜和其他成分膜来制造异质结的方法。

对于解决2D材料异质结的制造中的问题,更多的研究必不可少。MOCVD和MBE也可以被认为是制造技术的可能选择。

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很有前途的二维等离子材料

插图来自网络
原子厚的硼膜可能是第一种能够通过触发其等离子体激元释放可见光和近红外光的纯2D材料。

这将使称为硼苯的材料成为光子和等离子设备(如波导,纳米级光收集器,生物分子传感器和纳米天线)的竞争者。

等离子体是电子的集体激发,当受到能量(如激光)的输入时,电子在金属表面上流动。重要的是,以一种颜色(由光的频率确定)向等离子体材料提供光可以促使释放另一种颜色的光。

硼烷将是第一种自然而然不改变而自然地这样做的2D材料。

在三个维度上,硼是半导体,但在二维形式中,硼是金属。了解其等离子体控制的潜力。

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2D材料中的亚纳米级通道对未来的电子产品的应用

插图来自网络
最受欢迎的2D材料是石墨烯,它是碳的一种形式,但最近的研究人员一直在探索其他2D材料,例如二硫化钼,它们具有自己的独特优势。

但是,创建有用的电子设备需要在同一平面上组合许多2D材料,这是一个艰巨的挑战。2015年,沙特阿拉伯的研究人员开发了一种将二硫化钼(MoS 2)与二硒化钨(WSe 2)相邻放置的方法,两种材料之间的连接非常干净。随着方法的变化,康奈尔大学的研究人员随后发现,它们可以诱导长而笔直的MoS 2导线(直径仅几个原子)延伸到WSe 2中,同时保持干净的结。

在一期的《自然材料》中,描述了材料沉积技术和MoS产生的机理2条纳米线,研究人员已成功地对其进行了建模。

新的2D材料的制造仍然是一个挑战。发现可以创建某些所需材料结构的机制是将这些材料推向应用的关键。在此过程中,仿真和实验的共同工作对于取得进展至关重要,尤其是使用能够实现新设计方向的材料的分子级模型。

研究人员说,在WSe 2中形成长而细的MoS 2通道的能力可能有多种应用。

基于[材料的]电学性质和光学性质,人们正在考虑将MoS 2和WSe 2用于太阳能电池或用于基于日光的水分解。和新论文的合著者。“ 大多数有趣的东西都发生在界面上。当您不仅拥有一个接口(如果有许多纳米线接口)时,即使它是非常随机的,也可以提高太阳能电池的效率。”

但是,对纳米线形成的基本分子机理的理论解释也增加了人们希望操纵它们的形成以实现原子级电子元件组装的希望。

二维材料是未来电子产品最有希望的候选材料之一,最终需要击败已经达到几纳米尺寸的基于硅的设备。二维材料在垂直方向上最薄,但在横向尺寸上仍占据相当大的面积。我们在2D材料中制作了最薄的无位错通道,这是从2D材料向亚纳米电子设备迈出的一大步。

在2D晶体中,MoS 2和WSe 2都自然地定位在六边形中,其中的组成元素(钼和硫或钨和硒)交替出现。这些六边形一起形成了蜂窝状图案。

康奈尔大学的研究人员的制造方法在材料之间的交界处保持了这种蜂窝状图案,这是一项非凡的壮举,并且对电子应用非常有用。他们的方法使用化学气相沉积法,在该方法中,将衬底(此处为蓝宝石)暴露于含有化学物质的气体中,这些化学物质反应生成所需的材料。

WSe 2和MoS 2六边形的自然尺寸有些不同,因此,它们的混合会在两个晶体上施加应变,主要是在其结附近。如果一对正好位于MoS 2交界处的WSe 2六边形转换为与七边形(七边形多边形)匹配的六边形,则不会产生应变。

这种所谓的5 | 7位错形成了MoS 2粒子可以自身附着的位置。生成的反应将钼原子插入五边形,生成六边形,并断开七边形。然后,硫原子附着在七边形上,使另一个5 | 7位错。随着该过程的重复,5 | 7位错更深地进入WSe 2区域,并在其后延伸出纳米线。不规则六边形上的应变松弛并再次出现的模式可确保位错沿直线前进。

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将纳米多孔石墨烯用于智能过滤器和传感器

这是什么意思?改变石墨烯孔的能力可以完全改变材料的性能。通过操纵它们,石墨烯膜变得可渗透,这将来可能会打开使用该材料作为过滤器的大门。与石墨烯的其他特性(例如强度)紧密结合,将具有极高的能源效率和弹性。对于从温室气体到生物分子的许多事物,它将是一种有效的过滤器。

此外,在对孔进行工程设计时,孔之间的空间减少到只有几个原子,从而将石墨烯从半金属转变为半导体。这将使其可以用于电子应用,并有可能替代体积更大,更坚固的硅组件。但是,要生产这种材料,制造方法必须变得更加精确-操作一个原子厚的材料非常困难。在这项研究中,研究小组使用“自下而上”的方法,利用二维聚合分子自组装理论,创建了具有纳米孔的石墨烯。

它是如何工作的?
使用本研究中发现的方法,需要一个前体分子作为初始起点。在某些刺激下表现为预期的行为。这些前体是由CiQUS的合成化学专家生产和设计的。然后将它们带到ICN2进行“自下而上”组装,以创建纳米多孔石墨烯。

“自下而上”的方法涉及在金表面放置高温时进行的几轮加热。这催化了使分子聚合并形成“纳米核”的反应。然后,纳米带横向结合,形成具有均匀间隔和大小的孔的二维“纳米”结构。

应用
所生产的石墨烯是一种具有类似于硅的电性能的新版本,它也可以用作高选择性分子筛。结合这两个特征将允许开发过滤器和传感器设备,该设备将使用电场对分子通过纳米孔进行分类和阻止或监视。

这些电读数将提供其他信息,描述什么浓度的分子通过孔以及何时通过。这也可能有助于开发更有效的DNA测序。

纳米多孔石墨烯膜的一些应用范围从污染监测/缓解到水脱盐。在生物医学中也可能有应用,这些膜可以帮助支撑衰竭的器官。

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为2D材料创建路线图

希望开发出性能更佳的健康和环境传感器,更经济的太阳能以及更高性能和更高性能的2D材料(例如石墨烯等单原子或很少原子的材料)的研究迅速发展。比目前的硅电子产品更节能的电子产品。 2-D材料杂志上的一篇受邀文章提供了用于未来电子和传感应用的电子级二维材料合成的路线图。该路线图由宾夕法尼亚州立大学领导,另外五所大学和国家实验室也提供了帮助,该路线图解决了具有有用电子或光子特性的二维材料的巨大挑战,以及美国在该领域的发展前景。目前在二维材料合成方面的现状以及对实现电子级二维材料所需解决的首要研究重点。四个部分:大挑战,这是技术驱动力,例如物联网;接近完美2D材料的合成,技术和理论;材料工程,可以微调二维和复合材料的性能;最后是展望,这是硅技术达到必然障碍时电子设备的未来。

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用于集成量子光学的2D材料中的局部激子

美国国立大学的科学家发现,单层二硒化钨(WSe 2)中的氧间隙使其能够充当量子光学应用中的单光子发射器(SPE)。在实验上发现了具有原子上薄的蜂窝状晶格的二维(2D)材料用作SPE。SPE一次发出一个单个粒子或一个光子的光,它们在量子光学和量子信息处理中起着重要的作用。

使用2D材料(例如WSe 2)开发的SPE 为半导体制造环境中潜在的设备和电路集成提供了灵活性。但是,在WSe 2中这些实验发现的SPE的性质尚不清楚,这阻碍了它们在量子应用中的潜在用途。美国国立大学物理系的Su Ying QUEK教授及其研究小组已经确定,来自WSe 2中局部激子态的单光子发射是由于单层2D材料中存在的氧间隙。

该研究小组结合了理论计算和实验方法来得出结果。通过更好地了解单光子发射的起源,这些发现将有助于使用2D材料开发SPE,并改善其发射性能。

在他们的研究工作中,研究小组没有设法找到WSe 2材料中固有点缺陷的密度泛函理论计算与通过扫描隧道光谱法从实验获得的光谱之间的相关性。然后,他们专注于与WSe 2材料相关的与氧气有关的点缺陷。

这些缺陷可以在合成过程中或通过环境钝化轻易地掺入材料中。通过消除过程,他们发现与晶格中的氧间隙相关的缺陷最有可能在实验观察到的光谱位置上产生局部激子态。

Quek教授说:“ 这项工作提供了对单层WSe 2中点缺陷的详细研究,并预测了这些缺陷部位激子的性质和能量。解密单个光子发射器的起源对于使用其他2D材料进行量子光学应用的量子发射器的开发将是有用的。”

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MoS2-FET晶体管的直接后裁缝

过渡金属二卤化物是通过范德华力结合在一起的离散2D原子薄层。这些材料在其物理性质上表现出厚度相关的变化,可以在不同的光电应用中加以利用。例如,二硫化钼(MoS 2)的能带结构在单层中的直接带隙为1.8 eV,随厚度而变窄,整体上为1.2 eV的间接带隙。

MoS 2的原子薄层可以通过微机械剥离来分离,但是从机械剥离的MoS 2制造光电器件是一个复杂的过程。在所有情况下,即使采用确定性的冲压方法,该装置的几何形状也受到剥落薄片的形状的限制。

即使在使用CVD(化学气相沉积)技术时,由于材料生长在具有减小的尺寸和不同的物理特性的岛中,也阻碍了器件的制造。因此,在制造步骤完成之后开发用于定制器件几何形状的技术引起了极大的兴趣。IMDEA Nanociencia的Daniel Granados教授小组已经找到了一种聪明的解决方案,可以修改由剥离MoS 2制成的几个场效应晶体管(FET)的几何形状。

所提出的方法使用聚焦电子束感应刻蚀(FEB​​IE)与脉冲电子束的变化。光束使用图案发生器将表面扫描到设计的几何形状中,修改晶体管的源极和漏极之间的传导通道,并实现量身定制的器件性能。

格拉纳多斯教授喜欢使用流体力学的类比:“ 就像湍流一样,经过一定的孔后它变成层状;我们量身定制的传导通道使电子能够通过具有相同特性的MoS 2薄片区域。”

已经对该修改方法的效果进行了进一步研究,以验证修改后的设备的性能。Granados的小组发现,纳米图案化后90%的设备都可以工作。

此外,他们研究了从清晰的重N型掺杂向本征型或轻P型掺杂产生的转变,并将这种变化归因于蚀刻时产生的硫空位。通过光致发光和拉曼光谱研究证实了掺杂位移。

与使用几个制造步骤的方法相比,该方法具有几个优点。首先,它将图案化和蚀刻结合到一个步骤中,而不是进行两步纳米加工。其次,它允许以简单的方案在定制步骤之前和之后进行电子和光学表征。

最后,脉冲FEBIE是一种化学方法,其电子束能量低于其他研究(2.5 kV),可减少样品损坏并防止MoS 2晶格变形。由于这些优点,Granados等人提出了“纳米剪刀”。对于昂贵且费时的纳米加工技术而言,它是一种非凡的替代品,并且在电子和光电子设备的加工后定制电子和几何特性方面具有巨大潜力。