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物理学家加快了对革命性人造原子材料的搜寻

巴斯大学的科学家朝着理解堆叠成堆的原子薄材料层之间的相互作用迈出了重要的一步。他们希望他们的研究将加速新的人造材料的发现,从而导致设计出比当今已知的任何产品都小得多且效率更高的电子组件。

在电子电路世界中,较小的总是更好的,但是在不使硅组件过热和散落的情况下,可以将其缩小的程度是有极限的,我们已经接近了极限。研究人员正在研究一组可以组装成堆的原子薄材料。任何最终材料的特性都取决于原材料的选择以及取决于一层在另一层之上排列的角度。

物理系负责这项研究的Marcin Mucha-Kruczynski博士说:“我们找到了一种方法来确定堆叠不同层中的原子相互耦合的强度,并且我们已经证明了这种方法的应用。我们对由石墨烯层制成的结构的想法。”

巴斯研究发表在《自然通讯》上,该研究基于石墨烯的早期研究,石墨烯是一种以蜂窝状设计排列的碳原子薄片的晶体。2018年,麻省理工学院(MIT)的科学家发现,当将两层石墨烯堆叠在一起,然后以1.1°的``魔力''角相对扭曲时,它们会产生具有超导特性的材料。这是科学家第一次创造一种完全由碳制成的超导材料。但是,随着石墨烯两层之间的角度变化最小,这些特性消失了。

自从MIT发现以来,世界各地的科学家一直在尝试将这种“堆积和扭曲”现象应用于其他超薄材料,将两个或多个原子不同的结构放在一起,以期形成具有特殊品质的全新材料。

Mucha-Kruczynski博士说:“在自然界中,找不到每个原子层都不同的材料。”“此外,两种材料通常只能以一种特定的方式组合在一起,因为需要在层之间形成化学键。但是对于像石墨烯这样的材料,只有同一平面上原子之间的化学键很强。平面之间的力是已知的由于范德华相互作用很弱,这使得材料层可以相互扭曲。”

现在,科学家面临的挑战是使发现新的分层材料的过程尽可能高效。通过找到一个公式,当两种或多种材料堆叠在一起时,它们可以预测结果,他们将能够极大地简化他们的研究。

Mucha-Kruczynski博士及其牛津大学,北京大学和意大利ELETTRA同步加速器的合作者希望在这一领域有所作为。

Mucha-Kruczynski博士说:“材料的组合数量以及可扭曲的角度数量太大,无法在实验室中进行尝试,因此我们可以预测的内容很重要。”

研究人员已经表明,两个层之间的相互作用可以通过研究的三来确定层,其中两层被组装为你可能在自然界中发现的结构,而第三扭转。他们使用角度分辨光发射光谱法(该过程中,强大的光从样品中发射出电子,以便可以测量电子的能量和动量,从而提供了对材料性质的了解),以确定在一个碳原子上两个碳原子的强度。彼此给定的距离是耦合的。他们还证明,即使层之间的扭曲程度不同,其结果也可用于预测由相同层组成的其他堆叠的属性。

石墨烯等已知的原子薄材料的清单一直在增长。它已经包括数十个条目,这些条目显示了从绝缘到超导,从透明到光学活性,从脆性到柔韧性的各种特性。最新发现提供了一种通过实验确定这些材料中任何一层之间相互作用的方法。这对于预测更复杂的堆栈的性能以及有效设计新设备至关重要。

Mucha-Kruczynski博士认为,要找到新的堆叠和扭曲的材料来实际应用,还需要10年的时间。他说:“石墨烯从实验室转移到通常意义上有用的东西用了十年时间,因此乐观地暗示,我希望类似的时间表适用于新材料。”

Mucha-Kruczynski博士和他的团队根据他最新的研究结果,现在将重点放在由过渡金属双金属卤化物层构成的扭曲堆叠体上(一大堆材料具有两种非常不同类型的原子,即金属和硫属元素,例如硫)。这些堆栈中的一些已显示出引人入胜的电子行为,科学家尚无法解释。

Mucha-Kruczynski博士解释说:“因为我们要处理两种截然不同的材料,所以研究这些叠层非常复杂。”“但是,我们希望我们能够及时预测各种堆叠的性能,并设计出新型的多功能材料。”

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