作者韦恩·刘易斯，洛杉矶加州大学 显示钼(蓝色)、硫(黄色)和添加铼(橙色)的3D原子坐标的图像
3D模型下方显示了一幅2D图像
学分:洛杉矶加州大学 加州大学洛杉矶分校领导的研究小组以前所未有的细节制作了一种所谓的二维材料中原子的实验三维图——这种材料不是真正的二维，而是几乎平坦的，因为它排列在极薄的层中，厚度不超过几个原子
尽管基于二维材料的技术尚未在商业应用中得到广泛应用，但这种材料一直是人们相当感兴趣的研究课题
在未来，它们可能成为越来越小的电子产品中的半导体、量子计算机部件、更高效的电池或能够从海水中提取淡水的过滤器的基础
二维材料的前景来自某些性质，这些性质不同于相同元素或化合物在大量出现时的行为
这些独特的特征受到量子效应的影响——这种现象发生在极小的尺度上，与在更大尺度上看到的经典物理有着根本的不同
例如，当碳以原子般薄的层排列形成二维石墨烯时，它比钢更坚固，比任何其他已知材料导热更好，并且电阻几乎为零
但是在实际应用中使用二维材料需要更好地理解它们的特性，以及控制这些特性的能力
这项发表在《自然材料》杂志上的新研究可能是这方面的一个进步
研究人员显示，他们的材料原子结构三维图精确到皮米尺度——以万亿分之一米测量
他们用他们的测量来量化二维材料中的缺陷，这些缺陷会影响他们的电子特性，并精确地评估这些电子特性
“这项研究的独特之处在于，我们在不使用任何已有模型的情况下，确定了单个原子在三维空间中的坐标，”加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授、相应的作者李建伟“约翰”苗说
“我们的方法可以用于各种二维材料
" 苗是美国国家科学基金会科技中心的副主任，也是加州大学洛杉矶分校的加州纳米系统研究所的成员
他在加州大学洛杉矶分校的实验室与哈佛大学、橡树岭国家实验室和莱斯大学的研究人员合作进行这项研究
研究人员检查了一层二硫化钼，这是一种经常被研究的二维材料
这种化合物主要用作润滑剂
作为一种二维材料，它的电子特性表明它可以用于下一代半导体电子学
被研究的样品被“掺杂”了微量的铼，铼是一种在取代钼时会增加多余电子的金属
这种掺杂通常用于生产计算机和电子元件，因为它有助于促进半导体器件中的电子流
为了分析二维材料，研究人员使用了他们基于扫描透射电子显微镜开发的新技术，该技术通过测量穿过薄样品的散射电子来产生图像
苗的团队设计了一种叫做扫描原子电子断层扫描的技术，它通过在样品旋转时从多个角度捕捉样品来产生三维图像
学分:洛杉矶加州大学 科学家们必须避免一个主要的挑战来制作图像:二维材料可能会因过多暴露于电子而受损
因此，对于每个样本，研究人员逐段重建图像，然后将它们拼接在一起形成一个三维图像——与同时对整个样本成像相比，允许他们使用更少的扫描次数，从而减少电子剂量
这两个样品的尺寸各为6纳米乘6纳米，每个较小的部分的尺寸约为1纳米乘1纳米
(一纳米是十亿分之一米
) 由此产生的图像使研究人员能够在钼原子的情况下以4皮米的精度检查样本的三维结构——比氢原子的直径小26倍
如此高的精度使他们能够测量波纹、扭曲材料形状的应变以及化学键大小的变化，所有这些变化都是由添加的铼引起的——这标志着二维材料中这些特性的最精确测量
该论文的第一作者、加州大学洛杉矶分校博士后学者田学增说:“如果我们只是假设引入掺杂剂是一种简单的替代，我们就不会期望有大的应变。”
“但我们观察到的情况比以前的实验显示的要复杂得多
" 科学家们发现，最大的变化发生在二维材料的最小维度，即三个原子高的高度
只需一个铼原子就能引入这种局部畸变
有了关于这种材料的三维坐标的信息，哈佛大学的科学家们在纳朗教授的带领下，对这种材料的电子特性进行了量子力学计算
纳朗说:“这些原子尺度的实验给了我们一个新的视角来观察二维材料的行为，以及在计算中应该如何对待它们，它们可能会改变新量子技术的游戏规则。”
由于无法获得研究中产生的测量数据，这种量子力学计算通常是基于一个理论模型系统，该系统预计在绝对零度的温度下工作
这项研究表明，测量的三维坐标导致更准确的二维材料的电子性质的计算
“我们的工作可以通过使用实验三维原子坐标作为直接输入来转换量子力学计算，”加州大学洛杉矶分校博士后学者丹尼斯·金说，他是这项研究的第一作者之一
“这种方法应该使材料工程师能够更好地预测和发现二维材料在单原子水平上的新的物理、化学和电子特性
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