2020-02-12 18:24:01
原子之舞揭示了对二维材料性能的新见解

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西北大学材料科学研究人员小组开发了一种新方法,可以查看原子薄的二维材料中原子的动态运动。成像技术揭示了广泛使用的2D材料性能失效的根本原因,可以帮助研究人员为未来的可穿戴设备和柔性电子设备开发更稳定,更可靠的材料。

这些二维材料(例如石墨烯和硼苯)是一类单层晶体材料,具有广泛的潜力,可作为高级超薄柔性电子产品中的半导体。然而,由于其薄的性质,这些材料对外部环境高度敏感,并且在电子设备中使用时一直难以表现出长期的稳定性和可靠性。

麦考密克工程学院材料科学与工程教授亚伯拉罕·哈里斯(Abraham Harris)教授Vinayak Dravid表示:“原子薄的2D材料提供了大幅缩小电子设备的潜力,使其成为为未来的可穿戴和柔性电子设备供电的诱人选择。”

这项名为“电场诱导的单层过渡金属二硫属元素化物中的结构动力学的直接可视化”的研究于2月11日发表在ACS Nano杂志上。 Dravid是该论文的通讯作者。杰罗姆·科恩(Jerome B. Cohen)材料科学与工程教授克里斯·沃尔夫顿(Chris Wolverton)也为这项研究做出了贡献。

“不幸的是,电子设备现在就像一种'黑匣子'。尽管可以测量器件的度量标准,但负责这些特性的材料中单个原子的运动仍是未知的,这极大地限制了提高性能的努力。”西北大学原子与纳米级表征(NUANCE)中心主任Dravid补充道。 。该研究提供了一种方法,可以通过对接收电压的二维材料中正在起作用的结构动力学的新理解来克服这一限制。

在先前研究人员使用纳米级成像技术观察热引起的二维材料失效的基础上,研究小组使用了一种称为电子显微镜的高分辨率原子级成像方法,以观察钼中原子的运动。二硫化物(MoS2),一种经过广泛研究的材料,最初用作油脂和摩擦材料中的干润滑剂,最近因其电子和光学特性而引起人们的关注。当研究人员在材料上施加电流时,他们观察到其高度移动的硫原子连续移动到晶体材料中的空白区域,这种现象被他们称为“原子舞”。

这种运动反过来导致MoS2的晶界分离(在材料中两个微晶相遇的空间中产生的自然缺陷)分离,形成狭窄的电流通道。

“由于这些晶界分开,您只剩下几个狭窄的通道,从而导致通过这些通道的电流密度增加,”博士Akshay Murthy说。 Dravid小组的学生和该研究的主要作者。 “这导致这些区域的功率密度和温度升高,最终导致材料失效。”

Murthy继续说:“能够以这种方式准确看到正在发生的事情非常有力。” “使用传统技术,我们可以在样品上施加电场并查看材料的变化,但是我们看不到是什么原因导致了这些变化。如果您不知道原因,则很难消除故障机制或防止发生故障。今后的行为。”

研究小组相信,通过这种在原子水平上研究二维材料的新方法,研究人员可以使用这种成像方法来合成不易受到电子设备故障影响的材料。例如,在存储设备中,研究人员可以观察存储信息的区域如何随着施加电流的变化而变化,并适应如何设计这些材料以获得更好的性能。

该技术还可以帮助改善其他许多技术,从生物电子学中的晶体管到消费电子学中的发光二极管(LED)到包括太阳能电池板的光伏电池。

Murthy说:“我们相信,我们开发的用于监测二维材料在这些条件下的行为的方法将有助于研究人员克服与器件稳定性有关的持续挑战。” “这项进展使我们更进一步地将这些技术从实验室转移到市场。”

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