导读石墨烯和其他单原子厚的物质是一类神奇的材料,世界各地的研究人员都在研究它们的电子特性,以便在太阳能电池、新型半导体、传感器和能量存

石墨烯和其他单原子厚的物质是一类神奇的材料,世界各地的研究人员都在研究它们的电子特性,以便在太阳能电池、新型半导体、传感器和能量存储等多种技术中具有潜在应用。

将这些单层或二维材料设计成所有潜在用途的最大挑战是需要一个原子一个原子的完美和均匀性,这在如此小的尺度上很难实现,而且很难实现。也要评估。

能源部艾姆斯实验室高级科学家、爱荷华州立大学物理学教授迈克尔 C.特林吉德斯 (Michael C. Tringides) 研究了 2- D 在石墨烯、石墨和其他碳涂层表面上生长的材料和金属。“为此,我们迫使原子以通常不会的方式组装。该领域的主要挑战之一是可靠地生产高质量的石墨烯和其他类似材料。”

Tringides 和艾姆斯实验室的其他科学家发现并证实了一种方法,该方法可以作为一种简单而可靠的方法来测试石墨烯和其他二维材料的质量。它利用了表面电子衍射中非常广泛的背景,称为钟形组件 (BSC),它与均匀图案化或“完美”的石墨烯密切相关。

了解相关性对制造环境中二维材料的可靠质量控制具有重要意义。

“这一发现挑战了传统智慧,但这种奇怪现象与高质量石墨烯之间的相关性是明确无误的。在实际应用中,我们看到它扩展到其他与石墨烯具有相似均匀性的高兴趣二维材料层,”Tringides 说。

去年,艾姆斯实验室的研究人员通过低能电子衍射(物理学中常用于研究固体材料表面晶体结构的一种技术)发现,宽衍射图案是可靠证明二维材料高质量的指标。这是高质量石墨烯的一个特征,它基本上隐藏在背景中,并且在已发表的研究中被忽视,因为它与衍射研究中普遍接受的完全相反——应该只存在清晰、明亮的衍射点。Tringides 说,由于这一发现违反直觉,因此需要在不同的实验条件下进一步研究并了解 BSC 的起源。

首先,科学家们通过在一系列高温下退火或加热石墨烯来生长石墨烯,并将 BSC 衍射的生长与另一个普遍接受的尖锐衍射点指标的生长进行比较。宽衍射背景的演变与较锐点的演变密切相关,这证明它们是相关的。其次,该小组随后尝试在石墨烯的表面和下方沉积金属原子(在这种情况下是镝)。这种沉积过程称为插层,是科学家为特定功能定制二维材料的方法之一。在第二个实验中,科学家们测量了插入过程中 BSC 的生长——当金属原子最初无序时很弱,然后随着金属原子在石墨烯和基板之间卡入到位而增加,形成均匀的层。因此,虽然 BSC 不是教科书的衍射图案,但它的原因是教科书的量子力学——当电子被挤压成单层时,它们的波矢量必须传播,创造出宽阔的衍射图案。

该研究在 S. Chen、M. Horn von Hoegen、PA Thiel、A. Kaminski、B. Schrunk 撰写的论文“从表面电子衍射的广泛特征中令人惊讶地证明了二维材料的高层均匀性”中得到了进一步讨论, T. Speliotis、EH Conrad 和 MC Tringides;并发表在《物理化学快报》上。