准确的3D 2D材料地图定位单个原子的坐标

由于2D图像的局限性，先前无法访问的2D材料的3D原子结构信息。在橙色的蓝色和铼掺杂剂的蓝色，硫磺中的3D原子坐标下方显示了2D图像。

科学家开发创新技术，以确定单个原子的坐标。

一个UCLA-LED研究团队在上所未决的细节中，在所谓的2D材料中的原子的实验三维地图 - 物质不是真正二维但几乎是平坦的，因为它布置在极薄的层中，不再是少数原子厚。

虽然基于材料的技术尚未广泛用于商业应用，但材料已成为大量研究兴趣的主题。在未来，它们可以是更小的电子设备，量子计算机组件，更有效的电池或能够从盐水中提取淡水的过滤器的半导体的基础。

2D材料的承诺来自某些属性，这些属性不同于相同的元素或化合物在出现更大数量时的表现。这些独特的特征受量子效应的影响 - 以极小的尺度发生的现象，从根本上不同于在更大的尺度上看到的古典物理学。例如，当碳布置在原子薄层中以形成2D石墨烯时，它比钢更强，比任何其他已知材料更好地进行热量，并且具有几乎零电阻。

但是在现实世界应用中使用2D材料将需要更好地了解其属性，以及控制这些属性的能力。新的研究在自然材料中公布，可能是努力前进。

研究人员表明，其材料的原子结构的3D地图精确到皮肤尺尺度 - 以仪表的一亿尺寸测量。它们使用测量来量化2D材料中的缺陷，这可能影响其电子性质，以及准确地评估这些电子性质。

“关于这项研究的独特是什么，我们在不使用任何预先存在的模型的情况下确定三个维度在三个维度中的坐标，”女性和天文学教授Jojianwei“John”Miao说。“我们的方法可用于各种2D材料。”

苗族是频闪国家科学基金会科技中心的副主任以及加州大学州加州纳米系统研究所的成员。他的UCLA实验室与哈佛大学，橡树岭国家实验室和赖斯大学的研究人员合作。

研究人员检查了一层钼二硫化物，经常研究的2D材料。在散装中，该化合物用作润滑剂。作为2D材料，它具有电子特性，表明它可以在下一代半导体电子器件中使用。研究的样品用铼的痕量，在替换钼时添加储备电子的金属“掺杂”。这种掺杂通常用于生产用于计算机和电子产品的部件，因为它有助于促进半导体器件中的电子流。

为了分析2D材料，研究人员使用了一种基于扫描透射电子显微镜开发的新技术，其通过测量穿过薄样本的散射电子产生图像。苗族的团队设计了一种称为扫描原子算法的技术，通过旋转时，通过以多个角度捕获样品来产生3D图像。

科学家们不得不避免一个主要挑战来生产图像：2D材料可能会受到过多的电子暴露的损坏。因此，对于每个样本，研究人员通过部分重建图像部分，然后将它们缝合在一起以形成单个3D图像 - 允许它们使用较少的扫描，从而使用比它们同时成像整个样本的较少剂量的电子。

两个样品通过6 anometers测量6NAnometers，并且每个较小的部分通过1nanometer测量约1nanometer。（纳米是米的十亿分钟。）

所得到的图像使研究人员能够在钼原子的情况下将样品的3D结构检查在4微米的精度 - 比氢原子的直径小26倍。这种精确度使它们能够测量涟漪，应变扭曲材料的形状，以及化学键的尺寸的变化，所添加的铼引起的所有变化 - 标记了2D材料中这些特性的最准确的测量。

“如果我们假设介绍掺杂剂是一个简单的替代，我们不会期待大菌株，”译文的首先作者和UCLA博士后学者表示，“薛忠田说。“但是我们所观察到的是比以前的实验更复杂。”

科学家发现，2D材料的最小尺寸发生的最大变化，其三个原子高度。它花了一个单一的铼原子来引入这种局部扭曲。

武装有关材料3D坐标的信息，由Prineha Narang教授领导的哈佛大学的科学家进行了材料的电子特性的量子力学计算。

“这些原子规模实验已经给了我们一个新的镜头进入了2D材料如何表现以及如何在计算中对待，他们可以成为新量子技术的游戏变频器，”纳隆说。

在没有进入研究中产生的测量的访问，这种量子力学计算通常基于理论模型系统，该系统在绝对零的温度下预期。

该研究表明，测量的3D坐标导致了对2D材料的电子特性的更准确计算。

“我们的工作可以通过使用实验3D原子坐标作为直接投入来改造量子力学计算，”联合国组织博士后学者Dennis Kim是该研究的第一作者。“这种方法应使材料工程师能够更好地预测并发现单个原子水平的2D材料的新物理，化学和电子性质。”

参考：

“与二维过渡金属二硫代甲基甲基甲基甲基的三维原子缺陷和电子性质相关”，雪尼尼斯S.金，Shize Yang，Christopher J. Ciccarino，Yongji Gong，Yongsoo Yang，Yau yang，Blake Duschatko，Yakun Yuan ，Pulickel M. Ajayan，Juan Carlos Idrobo，Prineha Narang和Jianwei Miao，3月9日2020年3月9日，自然材料.DOI：
10.1038 / s41563-020-0636-5

“2D材料的3D地图”由Angus I. Kirkland，3月9日，自然材料.DOI：
10.1038 / s41563-020-0646-3

其他作者是YONGSOO杨，姚阳和UCLA的Yakun Yuan; Shize Yang and Juan-Carlos Idrobo of Oak Ridge National实验室;克里斯托弗·卡西诺和哈佛大学的布莱克杜斯科特科;和永济龚和普利克尔阿扎扬的米饭。

美国能源部，美国陆军研究办公室和频闪国家科学基金科技中心支持该研究。扫描透射电子显微镜实验在南岭国家实验室的DOE用户设施中进行了纳比材料科学中心。