源之原味

你的朋友会认为你是跛脚的, 如果你不知道原子晶体

 

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对于分层结构, 我们可以用正确的图层做什么?如果我们真的能按照我们想要的方式排列原子, 材料的特性会是什么呢?

好奇的美国物理学家 理查德. 费曼 在1959的划时代演讲中问到这些问题, 底部有足够的空间.它用量子力学对 "在原子尺度上操纵和控制事物" 的深刻想法忙碌起来。

原子冒险家: 理查德. 费曼。 维基

在当时的牵强, 现在操纵层的原子是一个主要的研究领域。为了实现费曼的愿景, IBM 的研究人员 美国贝尔实验室必须设计一种新的方法来构造材料层: 分子束外延 或外延。

这可以比喻为喷涂与原子。首先从汽化的超纯源材料如镓、铝或铟开始, 并将它们与砷或磷的类似物结合起来。汽化的原子通过真空室飞向由类似材料制成的基层。原子坚持它, 并慢慢地建立一个晶体一个原子层一次。超高真空确保杂质最小。

原子建筑师

虽然这个过程相对缓慢--通常每分钟只有几个原子层--精确度是显著的。它允许技术人员堆叠不同的 半导体 材料在彼此之上创造水晶被称为 异质结构, 它可以具有非常有用的属性。例如, 通过交替堆积砷化铝和砷镓的层, 你就可以生产出一种极好储存电能的材料。

一旦这项技术在二十世纪九十年代和2000s 得到了完善, 科学家们就能够控制一个特定晶体中电子的数量和它们的能量。由于光然后与这些电子相互作用, 对电子行为有更多的控制意味着你也能更好地控制它们是如何被光激发的。

异质结构已经导致了许多新的发现, 特别是关于粒子的量子行为, 例如它们内部的电子。诺贝尔物理学奖被授予五次 (1973, 1985, 1998, 2000, 并 2014), 由此产生的材料已经彻底改变了文明。

半导体异质结构使太阳能电池, led, 激光器和超快晶体管。即使是互联网也不可能实现: 发射光脉冲编码在线信息位的激光是从异质结构, 以及测量这些光脉冲和解码信息的探测器。

但是有限制。这些异质结构的原子大小、间距和排列在不同层之间不能太不相同, 而不会产生缺陷。这就限制了可能的材料组合和自由地设计电子和光学性能的潜力。

此外, 晶体自然由原子组成, 在所有三方向形成键。这意味着, 总是有不满意的原子与 "悬垂" 债券在边缘。外国杂质寻求这些债券和制造缺陷, 可以摧毁其他财产。这变得特别重要与更小的水晶, 防止他们被集成到他们的充分的范围到现代晶体管, 激光器等等。

输入2D 晶体

石墨 烯。橄榄树

超薄材料中的极限是一层原子。幸运的是, 大自然设计了这样的 "二维晶体"。最有名的是 石墨 烯, 它只是以六角形模式排列的碳原子。

石墨烯比钢强, 导电比铜好。它有许多独特的, 有时是异国情调的电子, 光学和机械性能-被认可的 诺贝尔物理学奖 在2010年发现的。

在一个完美的石墨烯晶体中, 所有的原子都是完全粘合在一起的, 没有悬垂的键。通过使用透明胶带剥离石墨层来生产石墨烯是很有可能的: 石墨实际上是许多层的石墨烯, 它们都是由 范德华力, 比石墨烯的每一个组成板上的键都要弱得多。

除了石墨烯外, 还有许多其他的2D 晶体, 每个都具有独特的特性。一些自然地发生作为宝石在地面, 例如 molybdnimum 二硫化物, 一个重要工业润滑剂。其他可以由分子束外延, 如绝缘硼氮化物, 和晶体在同一家庭 过渡金属 dichalcogenides molybdnimum 二硫化物。

像石墨烯是石墨, 科学家 "剥离" (或剥落) 单2D 片从大量的这些化合物。这些床单的固有的薄意味着它们的行为与前面描述的异质结构有很大的不同。不同的原子薄材料可以是绝缘, 半导体, 金属, 磁性甚至超导。

科学家们还能够挑选、放置和组合这些材料, 以形成新的异质结构, 称为范德华异质结构, 其性能与2D 片不同。关键的是, 这些与他们的表兄弟所用的分子束外延没有相同的限制。它们可以 comprize 不同的原子晶体层, 从而使不同材料的组合具有前所未有的无限可能性。

例如, 您可以将磁性层与半导体和绝缘体结合在一起, 而不会吸引到层间的湿气或氧化物等污染物--外延异质结构是不可能的。这可以用来创建设备, 控制磁性使用电, 这是在硬盘驱动器的磁性内存的基础。

也可以将两个相同的原子层堆叠在一起, 并在一个角度进行转动。这就产生了一个叫做莫尔图案的格子, 它提供了一个新的自由度来设计电子和光学特性。我们使用的图像来演示这一点在 当前皇家学会夏季展览 在伦敦 给出这是如何工作的味道:

莫尔的力量, 你的胳膊肘。赫瑞瓦特大学

虽然范德华异质结构仍处于起步阶段, 但令人印象深刻的新物理和能力已经出现。它们包括更小、更轻、更灵活、更高效的太阳能电池、发光二极管、晶体管和磁记忆的版本。

在未来, 我们可以期待意想不到的惊喜。一个早期的例子是 最新发现 当你把两层石墨烯在一个相对彼此的 "魔术角度" 旋转时, 电子就变成超导。这一突破, 尚不清楚, 可以解开30年来的奥秘, 即电子如何在不丧失任何能量的情况下航行超导体。它可能允许我们在室温下使用超导体, 从医学成像和量子计算机到传输远距离的所有东西都有潜在的好处。

然而, 预测技术成果并不容易。作为赫伯特 Kroemer, 谁分享了诺贝尔奖在2000年开发半导体异质结构用于高速和光电电子, 常说:

的谈话任何足够的新的和创新的技术的主要应用一直是而且将继续是该技术创造的应用。

布莱恩 Gerardot, 是新兴技术的主席, 赫瑞瓦特大学

本文最初发表于 的谈话.读了 原创文章.

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