研究人员为下一代材料培育扭曲多层晶体结构

美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的研究人员首次生长出扭曲的多层晶体结构，并测量了该结构的关键特性。这种扭曲的结构可以帮助研究人员开发用于太阳能电池、量子计算机、激光器和其他设备的下一代材料。

斯坦福大学和SLAC教授、发表在《科学》杂志上的一篇描述这项工作的论文的合著者崔毅说：“这种结构是我们以前从未见过的，这让我感到非常惊讶。”“在未来的实验中，这种三层扭曲结构中可能会出现一种新的量子电子特性。”

添加层次，扭转

该团队设计的晶体扩展了外延生长的概念，外延生长是一种晶体材料以有序方式生长在另一种材料顶部时发生的现象，有点像在土壤顶部生长整齐的草坪，但是在原子水平上。50多年来，了解外延生长对于许多行业的发展至关重要，尤其是半导体行业。事实上，外延是我们今天使用的许多电子设备的一部分，从手机到电脑再到太阳能电池板，它允许电流流过——或者不流过——它们。

迄今为止，外延研究主要集中在将一层材料生长到另一层材料上，并且两种材料在界面处具有相同的晶体取向。几十年来，这种方法在晶体管、发光二极管、激光器和量子器件等许多应用中取得了成功。但为了找到性能更好的新材料来满足更苛刻的需求，比如量子计算，研究人员正在寻找其他外延设计——可能更复杂，但性能更好，因此本研究中展示了“扭曲外延”概念。

在他们的实验中，研究人员在两片传统半导体材料二硫化钼(MoS2)之间添加了一层金。崔教授在斯坦福大学材料科学与工程专业的研究生、该论文的合著者崔毅表示，由于顶层和底层的取向不同，金原子无法同时与两者对齐，这使得金结构发生扭曲。。

“由于只有底部MoS2层，金很乐意与其对齐，因此不会发生扭曲，”研究生崔说。“但是对于两片扭曲的MoS2片，金不确定与顶层或底层对齐。我们设法帮助金解决其混乱问题，并发现了Au的方向与双层MoS2扭曲角之间的关系”。

电击金纳米圆盘

为了详细研究金层，来自斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)和劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队将整个结构的样品加热到500摄氏度。然后，他们使用一种称为透射电子显微镜(TEM)的技术将电子流发送穿过样品，该技术揭示了金纳米圆盘在不同温度下退火后的形态、方向和应变。测量金纳米圆盘的这些特性是了解如何为未来的实际应用设计新结构的必要的第一步。

“如果没有这项研究，我们将不知道是否有可能在半导体顶部扭曲金属外延层，”研究生崔说。“用电子显微镜测量完整的三层结构证实这不仅是可能的，而且可以以令人兴奋的方式控制新结构。”

接下来，研究人员希望使用TEM进一步研究金纳米圆盘的光学特性，并了解其设计是否会改变金纳米圆盘的能带结构等物理特性。他们还想扩展这个概念，尝试用其他半导体材料和其他金属构建三层结构。

斯坦福大学材料科学与工程学院CharlesM.Pigott教授、论文合著者鲍勃·辛克莱(BobSinclair)表示：“我们正在开始探索是否只有这种材料组合才能实现这一点，或者它是否会在更广泛的范围内发生。”“这一发现开启了我们可以尝试的一系列全新实验。我们可能正在寻找可以利用的全新材料特性。”