脸书专页
翻墙交流电报群
RSS/FEED订阅
简体
正體
English
日語
한국어
Deutsch
Français
Русский
Español
Italiano利用纳米材料创造新的机遇 发现完美的金三角
一百年前“2D”（二维）的意思是一铜板或1寸的钉子，而今天“2D”涵盖了广泛的原子薄扁平材料，其中许多具有在相同材料的大块等效材料中找不到奇异属性，石墨烯（单原子厚的碳形式）可能是最突出的。虽然许多大学和研究机构的研究人员都在探索二维材料及其特殊性质，但材料科学家们对这些二维材料和普通三维材料结合在一起时会发生什么非常感兴趣。对2D材料和3D材料之间的接口感兴趣，因为想在应用程式中使用每一个2D材料，比如电子设备，仍然需要与外部三维世界连接。
现在正处于一个有趣的时期，因为电子显微镜等仪器设备有了巨大发展，人们对具有非常精确控制的结构和性能的材料非常感兴趣，这两件事以一种迷人的方式交叉。Ross专门研究纳米材料如何在气体和液体介质中生长和反应，通过使用电子显微镜记录影像。液体中的反应，显微镜对于理解电化学反应的机理特别有用，这些电化学反应控制着催化剂、电池、燃料电池和其他重要技术的性能。在液相显微镜的情况下，还可以观察物体溶解的地方的腐蚀，而在气体中，可以观察单个晶体如何生长，或者材料是如何与氧发生反应。
记录影像
IBM捐赠给麻省理工学院的一个实验设置，超高真空蒸发器系统首先到达，随后直接连接到专门设计的透射电子显微镜上，这给了强大的可能性。可以把样品放在真空中，清洁它，对它做各种各样的事情，比如加热和添加其他材料，然后在真空下将它转移到显微镜中，在那里可以在记录图像的同时做更多实验。例如可以沉积矽或锗，或蒸发金属，而样品在显微镜中，电子束通过它照射，记录这一过程的影像。在等待透射电子显微镜建立的同时，本研究组的成员，制作并研究了各种自组装结构。
蒸发器系统暂时安置在MIT.nano的五层原型空间，而Ross的实验室则在13号楼准备就绪。所有人都对材料科学这一重大挑战感兴趣，这就是：如何制造出一种具有你想要性能的材料，特别是，你如何使用纳米尺度来调整这些性能，并创造出新的性能，这是你无法从散装材料中获得的？利用超高真空系统，研究人员在几种二维材料上形成了金和铌的结构。Shu Fen Tan合成了镍——铂纳米颗粒，并使用另一种技术——液细胞电子显微镜对其进行了检查。
可以安排只溶解镍，留下尖刺的白金骨架，在液体细胞内部，能够在高空间和时间解析度下看到整个过程。铂是一种贵金属，比镍活性低，所以在适当的条件下，镍参与电化学溶解反应，而铂被留在后面。Tan指出，铂在有机化学和燃料电池材料中是一种众所周知的催化剂，但它也很昂贵，因此寻找与镍等价格较低材料的组合是可取的。这是一个例子，可以使用液体电池技术在电子显微镜中成像材料反应的范围，可以生长材料；可以蚀刻它们；例如可以观察气泡的形成和流体的运动。
这项技术的一个特别重要应用是研究电池材料的循环。显然，不能把AA电池放在这里，但可以在这个非常小的液体电池里装上重要的材料，然后你可以来回循环它，然后问，如果我充电和放电10次，会发生什么？它不再像以前那样工作了——它怎么会出故障呢？在液体电池中可以观察到某种故障分析和充放电的所有中间阶段。显微镜实验可以看到反应的每一个步骤，这给了研究人员更好的机会去理解正在发生的事情。
Moiré模式，完美的金三角
Reidy对如何控制金在石墨烯、二硒化钨和二硫化钼等二维材料上的生长感兴趣。当将金沉积在“脏”的石墨烯上时，金块聚集在杂质周围。但是当Reidy在石墨烯上生长金子时，石墨烯被加热并清除了杂质，从而发现了完美的金三角。在清洁石墨烯的顶部和底部沉积黄金，Reidy在显微镜中看到了称为Moiré模式的特征，这些特征是在重叠的晶体结构不对齐时产生。金三角可以用作光子和等离子体结构，这可能对很多应用程式都很重要，我们总是很有趣地看到发生了什么。
研究人员计划扩展清洁的生长方法，在具有不同旋转角的堆叠2D材料和其他混合层结构上形成3D金属晶体，Reidy感兴趣的是石墨烯和六方氮化硼(HBN)的性质，以及两种以二维单层形式进行半导体的材料，即二硫化钼(MoS2)和二硒化钨(WSe2)。在2D材料中非常有趣的一个方面是2D材料和3-D金属之间的联系。如果想制造半导体器件或含石墨烯的器件，接触可以是石墨烯外壳的欧姆接触或半导体外壳的肖特基接触，而这些材料之间的介面非常重要。你也可以想像设备使用石墨烯，就像两种其他材料之间的间隔层一样。
对于设备制造商来说，有时重要的是让3D材料生长，使其原子排列与下面2D层中的原子排列完全一致，这就是所谓的外延生长。在描述石墨烯上金和银一起生长的图像时，发现银不是外延生长的，它不会在石墨烯上形成想要制造的完美单晶，而是首先沉积黄金，然后在周围沉积银，几乎可以迫使银变成外延形状，因为它想要符合其金邻居正在做的事情。电子显微镜图像也可以显示晶体中的不完美，如涟漪或弯曲。电子显微镜强大之一是它对原子排列的变化非常敏感，如有一个完美的晶体，它看起来都是一样的灰色，但是如果在结构上有一个局部的变化，甚至是一个细微的变化，电子显微镜可以检测到它。
即使变化只是在原子的顶部几层内，而不会影响到下面的其他材料，图像也会显示出独特的特征，从而能够弄清楚发生了什么。Reidy还在探索将铌(一种在低温下超导的金属)与2D拓扑绝缘体碲化铋相结合的可能性，拓扑绝缘子具有迷人的性质，其发现还获得了诺贝尔物理学奖。如果在碲化铋上沉积铌，具有非常好的介面，就可以制作超导结。科学家一直在研究铌沉积，看到的不是三角形，而是更像树枝状的结构。树枝状结构看起来像冬天窗户内部形成的霜状图案，或者一些蕨类植物的羽状图案。
在铌的沉积过程中改变温度和其他条件可以改变材料所采用的模式。所有研究人员都渴望新的电子显微镜到达MIT.nano，以进一步瞭解这些材料的行为。nano的Osherov注意到两个低温透射电子显微镜(cryo-TEM)已经安装并运行。目标是建立一个独特以显微镜为中心的社区。鼓励并希望促进cryo-EM研究人员之间的交叉研究，主要专注于生物应用和‘软’材料。约翰·奇普曼材料科学和工程副教授詹姆斯·M·勒博(James M.LeBeau)最新增加具有增强分析能力的扫瞄透射电子显微镜(超高能量解析度单色器、4-D STEM探测器、Super-X EDS探测器、断层摄影术和几个原位支架)一旦安装，将大大增强显微镜能力。
来源：博科园
