跳动城乡网美国能源部橡树岭国家实验室领导的研究小组发明了一种独特的方法来观察原子级材料的变化。该技术为理解和开发用于量子计算和电子的先进材料开辟了新途径。该论文发表在《科学进展》杂志上。
这项新技术被称为“快速物体检测和行动系统”(RODAS)，它结合了成像、光谱和显微镜方法来捕捉瞬时原子结构形成时的特性，从而对材料特性在最小尺度上如何演变提供了前所未有的见解。
传统方法将扫描透射电子显微镜(STEM)与电子能量损失谱(EELS)相结合，但这种方法存在局限性，因为电子束会改变或降低所分析材料的品质。这种动态特性通常会导致科学家测量改变的状态，而不是预期的材料特性。RODAS克服了这一限制，并将系统与使用实时机器学习的动态计算机视觉成像相结合。
在分析样本时，RODAS仅关注感兴趣的区域。这种方法可以快速进行分析(以秒或毫秒为单位)，而其他STEM-EELS方法有时可能需要几分钟。重要的是，RODAS可以在不破坏样本的情况下提取关键信息。
所有材料都有缺陷，这些缺陷几乎可以直接影响材料的任何特性，例如电子、机械或量子特性。缺陷可以在原子层面以各种方式排列，既有内在的，也有对外部刺激(如电子束辐射)的反应。
不幸的是，这些不同缺陷结构的局部特性还未被充分理解。尽管STEM方法可以通过实验测量此类结构，但在不改变特定结构的情况下对其进行研究却极具挑战性。
“了解缺陷结构对于开发下一代材料至关重要，”这项研究的主要作者、ORNL纳米相材料科学中心的KevinRoccapriore说道。“如果掌握了这些知识，我们就可以有意地创建特定的结构来产生特定的属性。这类工作与观察和分析活动完全无关，但代表了未来可能具有影响力的一个方向。”
释放量子材料的潜力
研究团队在单层二硫化钼上展示了他们的技术，二硫化钼是一种很有前途的量子计算和光学应用半导体材料。二硫化钼尤其令人感兴趣，因为它可以从被称为单硫空位的缺陷中发射单光子。
在这种材料中，单个硫空位是指其蜂窝状晶格结构(即原子排列)中缺少一个硫原子。这些空位可以聚集在一起，产生独特的电子特性，使二硫化钼在先进技术应用中具有重要价值。
通过研究二硫化钼和类似的单层材料，科学家希望解答有关原子尺度上的光学或电子特性的重要问题。
材料科学的新前沿
RODAS技术代表了材料表征领域的一次重大飞跃。它使研究人员能够在分析过程中动态探索结构-性能关系，在特定原子或缺陷形成时对其进行测量，高效收集各种缺陷类型的数据，适应实时识别新的原子或缺陷类别，并在保持详细分析的同时最大限度地减少样品损坏。
通过将该技术应用于单层钒掺杂二硫化钼，研究团队对电子束照射下的缺陷形成和演变有了新的认识。这种方法可以探索和表征动态状态下的材料，从而更深入地了解材料在各种刺激下的行为。
Roccapriore表示：“先进的电子显微镜等材料科学技术不断拓展我们对物理世界的理解，而RODAS等系统可以在加速发现和创新方面发挥关键作用。”
“实时观察和分析原子尺度材料的能力有望突破计算、电子等领域的界限，并最终推动变革性技术的发展。”
