物理学家加速寻找革命性人造原子材料

巴斯大学的科学家们朝着理解堆叠排列的原子级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能够加速新人造材料的发现，从而设计出比当今已知的任何东西都更小巧、更高效的电子元件。

在电子电路世界中，越小越好，但是在不使硅组件过热和分崩离析的情况下，您可以将其缩小到什么程度是有限度的，而我们已经接近实现了。研究人员正在研究一组可以组装成堆叠的原子级薄材料。任何最终材料的特性都取决于原材料的选择以及一层在另一层之上的排列角度。

物理系领导这项研究的 Marcin Mucha-Kruczynski 博士说：“我们已经找到了一种方法来确定堆栈不同层中的原子相互耦合的强度，并且我们已经证明了我们的想法是由石墨烯层制成的结构。”

Bath 研究发表在Nature Communications 上，基于早期对石墨烯的研究，石墨烯是一种以蜂窝状排列的碳原子薄片为特征的晶体。2018 年，麻省理工学院 (MIT) 的科学家们发现，当两层石墨烯堆叠在一起，然后以 1.1° 的“魔力”角相对于彼此扭曲时，它们会产生一种具有超导特性的材料。这是科学家们第一次创造出一种纯碳制成的超导材料。然而，这些特性随着两层石墨烯之间角度的最小变化而消失。

自从麻省理工学院的发现以来，世界各地的科学家一直试图将这种“堆叠和扭曲”现象应用于其他超薄材料，将两种或更多原子上不同的结构放在一起，以期形成具有特殊品质的全新材料。

“在自然界中，你找不到每个原子层都不同的材料，”Mucha-Kruczynski 博士说。“更重要的是，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。但对于石墨烯等材料，只有同一平面上的原子之间的化学键很强。平面之间的力——已知因为范德瓦尔斯相互作用很弱，这允许材料层相对于彼此扭曲。”

科学家们现在面临的挑战是尽可能高效地发现新的分层材料。通过找到一个公式，让他们能够预测两种或多种材料堆叠时的结果，他们将能够极大地简化他们的研究。

正是在这个领域，Mucha-Kruczynski 博士和他在牛津大学、北京大学和 ELETTRA Synchrotron 的合作者希望能有所作为。

“材料组合的数量和它们可以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，”Mucha-Kruczynski 博士说。

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。他们使用角分辨光电子能谱法——一种强大的光从样品中射出电子的过程，以便可以测量来自电子的能量和动量，从而深入了解材料的特性——以确定两个碳原子在一个方向上的强度。给定距离彼此耦合。他们还证明，他们的结果可用于预测由相同层组成的其他堆叠的特性，即使层之间的扭曲不同。

已知的原子级薄材料(如石墨烯)的清单一直在增加。它已经包含数十个条目，展示了从绝缘到超导性、透明性到光学活性、脆性到柔韧性等广泛的特性。最新发现提供了一种通过实验确定任何这些材料层之间相互作用的方法。这对于预测更复杂堆栈的属性和有效设计新设备至关重要。

Mucha-Kruczynski 博士认为，新的堆叠和扭曲材料可能需要 10 年的时间才能找到实用的日常应用。“石墨烯从实验室转移到通常意义上有用的东西花了十年的时间，所以带着一丝乐观，我预计类似的时间表也适用于新材料，”他说。

在他最新研究结果的基础上，Mucha-Kruczynski 博士和他的团队现在专注于由过渡金属二硫属化物层(一大组材料，具有两种截然不同的原子类型——金属和硫属元素，如硫磺)。其中一些堆栈已显示出科学家尚无法解释的迷人电子行为。

“因为我们正在处理两种完全不同的材料，所以研究这些堆栈很复杂，”Mucha-Kruczynski 博士解释说。“然而，我们希望我们能够及时预测各种堆栈的特性，并设计新的多功能材料。”

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