物理学家在二维材料的交点处观察到修改后的能量景观
1884年,埃德温·雅培(Edwin Abbott)创作了小说《平地》:《多维度的浪漫》,这是维多利亚女王时代的讽刺小说。他想象了一个只存在于二维空间的世界,其中的生物是二维几何图形。这样一个世界的物理学有点类似于现代二维材料的物理学,例如石墨烯和过渡金属二硫属化物,包括二硫化钨(WS 2)、二硒化钨(WSe 2)、二硫化钼(MoS 2)和二硒化钼(钼2 )。
现代二维材料由单原子层组成,其中电子可以在二维中移动,但在三维中的运动受到限制。由于这种“挤压”,二维材料具有增强的光学和电子特性,在能源、通信、成像和量子计算等领域显示出作为下一代超薄设备的巨大希望。
通常,对于所有这些应用,2D 材料被设想为平躺布置。然而不幸的是,这些材料的强度也是它们最大的弱点——它们非常薄。这意味着当它们被照亮时,光只能在很小的厚度内与它们相互作用,这限制了它们的实用性。为了克服这个缺点,研究人员开始寻找将 2D 材料折叠成复杂 3D 形状的新方法。
在我们的 3D 世界中,2D 材料可以相互叠加。扩展平面国的比喻,这样的安排可以从字面上代表平行世界,这些世界注定永远不会见面的人居住。
现在,英国巴斯大学物理系的科学家们找到了一种方法,可以将 WS 2 的2D 片(之前在他们的实验室中创建)排列成 3D 配置,从而产生在比较时发生强烈变化的能量景观与平铺 WS 2片材相比。这种特殊的 3D 排列被称为“纳米网”:密集排列、随机分布的堆叠的网状网络,包含扭曲和/或融合的 WS 2片材。
Flatland 中的这种修改将允许人们进入彼此的世界。领导这项研究的 Ventsislav Valev 教授说:“我们并没有打算让 Flatland 的居民感到痛苦,但是由于我们在 2D 材料中进行纳米工程设计的许多缺陷,这些假设的居民会发现他们的世界确实很奇怪。
“首先,我们的 WS2 床单尺寸有限,边缘不规则,所以它们的世界会有一个奇怪形状的末端。此外,一些硫原子已被氧取代,这对任何居民来说都是错误的。最重要的是,我们的床单” 交叉融合在一起,甚至相互扭曲,这改变了材料的能量景观。对于平地人来说,这样的效果看起来就像宇宙法则突然改变了整个景观。”
Adelina Ilie博士与她的前博士学位一起开发了新材料。学生和博士后刘子晨说:“修改后的能量景观是我们研究的一个关键点。这证明将 2D 材料组装成 3D 排列不仅会产生‘更厚’的 2D 材料——它会产生全新的材料. 我们的纳米网在技术上易于生产,并且提供可调节的材料特性以满足未来应用的需求。”
Valev 教授补充说:“纳米网格具有非常强的非线性光学特性——它可以在广泛的颜色范围内有效地将一种激光颜色转换为另一种颜色。我们的下一个目标是在硅波导上使用它来开发量子光通信。”
博士 参与这项研究的学生亚历山大墨菲说:“为了揭示修改后的能量景观,我们设计了新的表征方法,我期待将这些方法应用于其他材料。谁知道我们还能发现什么?”
标签: 二维材料