以硅为基础的电子器件正在接近其物理极限，因此需要新材料来满足当前的技术需求。二维（2D）材料具有丰富的特性，包括超导性和磁性，是晶体管等电子系统的理想候选材料。然而，精确控制这些材料的特性却异常困难。
为了了解二维界面如何以及为什么会形成这样的结构，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发了一种方法，利用透射电子显微镜（TEM）逐个原子地观察二维材料在热诱导下从扭曲结构到排列结构的重新排列。他们在这一过程中观察到了一种意想不到的新机制，即在一个单层中播下新晶粒，其结构由相邻层模板化。通过控制层间的宏观扭曲，可以对整个系统的特性进行更多控制。
这项研究由材料科学与工程学教授Pinshane Huang和博士后研究员Yichao Zhang领导，最近发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。
Zhang说：”双分子层的界面如何相互排列以及它们通过何种机制转变成不同的构型非常重要。”它控制着整个双分子层系统的特性，而这反过来又会影响其纳米级和微观行为”。
二维多层膜的结构和特性通常具有高度异质性，不同样品之间，甚至单个样品内部都存在很大差异。层与层之间仅有几度扭曲的两个器件就可能具有不同的行为。众所周知，二维材料在外部刺激（如电子器件制造过程中出现的加热）下也会发生重构。
“人们通常认为，这两层纸就像两张相互扭转 45° 的纸。要让这两层从扭曲变为对齐，你只需旋转整张纸，”Zhang 说。”但实际上，我们发现它有一个核–一个局部的纳米级对齐域–而且这个域的尺寸越来越大。如果条件合适，这个排列域可以占据整个双分子层的大小。
虽然研究人员推测这种情况可能会发生，但还没有任何原子尺度的直接可视化技术来证明或反驳这一理论。然而，Zhang和其他研究人员能够直接跟踪单个原子的运动，看到微小的排列域的生长。他们还观察到，排列区域可以在相对较低的温度（约 200°C）下形成，而这正是二维设备的典型加工温度范围。
没有足够小、足够快的相机来捕捉原子动态。那么，研究小组是如何将这种逐原子运动可视化的呢？解决方案非常独特。他们首先将扭曲的双分子层封装在石墨烯中，在其周围建造一个小反应室，以便在加热时以原子分辨率观察双分子层。石墨烯的封装有助于将双分子层的原子固定在原位，这样就能观察到任何结构转变，而不是晶格被 TEM 的高能电子破坏。
双分子层界面在 500°（左）、600°（中）和 700°（右）高温脉冲后的环形暗场扫描电子显微镜图像。彩色虚线标出了加热时界面移动的位置。
然后将封装的双分子层放在一个可以快速加热和冷却的芯片上。为了捕捉原子的快速动态变化，样品在 100-1000°C 之间经历了半秒的热脉冲。每次脉冲后，研究小组都会使用 TEM 观察原子的位置，然后重复这一过程。Huang解释说：”你实际上可以观察到系统的变化，原子从最初的任何构型沉淀到能量上有利的构型，也就是它们想要的构型。”这可以帮助我们了解初始结构的制造过程，以及它是如何随热演变的。
了解重排是如何发生的，有助于调整纳米尺度的界面排列。Huang说：”人们对这种可调性有多么兴奋，简直无法用语言来形容。”两层之间的宏观扭曲是一个非常重要的参数，因为当你旋转其中一层时，你实际上可以改变整个系统的特性。例如，如果把二维材料石墨烯旋转到一个特定的角度，它就会变得超导。对于某些材料来说，如果旋转它们，就会改变其带隙，从而改变其吸收光的颜色和发射光的能量。所有这些都可以通过改变层间原子的取向来改变。
Pinshane Huang还是加州大学洛杉矶分校材料研究实验室的副主任。
这项工作的其他贡献者包括 Ji-Hwan Baek（共同第一作者，韩国首尔国立大学材料科学与工程系）、Chia-Hao Lee（美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系）、Yeonjoon Jung（韩国首尔国立大学材料科学与工程系）、Seong Chul Hong（韩国首尔国立大学材料科学与工程系）、Gillian Nolan（美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系）、Kenji Watabe（日本国立材料科学研究所电子与光学材料研究中心）、Takashi Tanabe（日本国立材料科学研究所电子与光学材料研究中心）、Gillian Nolan（美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系韩国首尔国立大学材料科学与工程系）、Gillian Nolan（美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系）、Kenji Watanabe（日本国立材料科学研究所电子与光学材料研究中心）、Takashi Taniguchi（日本国立材料科学研究所材料纳米架构研究中心）和 Gwan-Hyoung Lee（韩国首尔国立大学材料科学与工程系）。
这项研究得到了美国能源部、日本学术振兴会和韩国国家研究基金会的资助。
DOI: 10.1126/sciadv.adk1874
Atom-by-atom imaging of moiré transformations in 2D transition metal dichalcogenides
本文来自University of Illinois Grainger College of Engineering，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
