“原子之舞”揭示对2D材料性能的新见解学术资讯

纳米粒子的高分辨透射电镜照片（a）和选定区域的衍射图案（b）。

据《美国化学学会•纳米》（ACS Nano）杂志2月11日报道，美国西北大学材料科学研究人员Vinayak Dravid，Jerome B. Cohen和Chris Wolverton等开发了一种观测原子在二维材料中动态运动的新方法。这种成像技术解释了广泛使用的二维材料失效的潜在原因，有助于研究人员在未来开发出更加稳定可靠的可穿戴设备和柔性电子装置。

石墨烯和硼墨烯等二维材料是一类单层晶体材料，它们在超薄柔性电子器件领域有良好的应用前景。然而，这类材料的超薄特征使其对外部环境高度敏感，稳定性和可靠性也因此降低。材料科学与工程教授、原子和纳米尺度表征中心负责人（NUANCE）Dravid说：“原子级二维材料使电子设备的尺寸大幅度缩小，它们是未来可穿戴、可弯折电子设备的主力军。然而，电子设备就像一个‘黑匣子’，虽然研究人员已经能够测量它的参数，但材料中单个原子的运动对性能的影响却仍然是未知的。这极大限制了工程师们对材料性能的改进。我们的研究提供了一种新方法，使研究人员能对二维材料承载电压时的结构动力学有新的认识。”

在之前研究的基础上，研究人员使用纳米成像技术观察了二维材料的热故障——在高分辨率电子显微镜下，研究人员发现施加电流的二硫化钼内高度活跃的硫原子会源源不断地移动到晶体材料中的空白区域。研究人员将这种现象称之为“原子之舞”。原子之舞反过来导致了二硫化钼的晶界（材料中两种晶体交互时产生的自然缺陷）分离，形成电流通过的狭窄通道。Dravid实验室博士生、论文作者Akshay Murthy说：“晶界分离时，就只剩下若干狭窄的电流通道，这使得电流密度、功率密度和温度显著升高，最终导致材料失效。能够准确地观测到原子之舞的情况是非常了不起的。虽然借助传统技术可以观察到电场作用下的材料变化情况，但无法观测到导致这些变化的原因。如果我们不知道原因，就很难消除失效机制或者抑制不利情况的发展。”

在新方法的帮助下，研究人员可以制备低故障率的新材料。例如，研究人员能够在存储设备中观察信息存储区域与电流变化的关系，从而进行材料的设计调整。此外，这项技术还能用于改善晶体管、发光二极管和光伏电池等产品的性能。Murthy展望说：“我们相信这种二维材料监测技术将有助于研究人员攻克稳定性难题。这让我们距离技术的市场化更近一步。”

科界原创

编译：雷鑫宇

审稿：阿淼

责编：张梦

期刊来源：《美国化学学会•纳米》

期刊编号：1936-0851

原文链接：

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/02/200211164903.htm