耶鲁工程和应用科学学院 这种可视化显示了用于膜的石墨烯层
学分:曼彻斯特大学 二维层状材料在许多应用中都有很好的前景，例如下一代逻辑和存储器件的替代平台以及灵活的能量存储器件
然而，关于他们还有很多未知的东西
来自朱迪·查实验室的两项研究回答了一些关于这些材料的关键问题，他们是机械工程和材料科学的卡罗尔和道格拉斯·梅拉梅德副教授，也是耶鲁大学西校区能源科学研究所的成员
这两项研究都是由美国陆军研究办公室(ARO)资助的
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陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室，并已在《高级电子材料》上发表
在一篇论文中，查和她的研究团队与耶鲁大学的化学教授尼莱·哈扎里和王海亮合作，实验性地测量了小分子对二维材料的精确掺杂效应——这是为调节二维材料的电学特性而定制分子的第一步
在这样做的过程中，他们还获得了非常高的掺杂浓度
掺杂——例如在硅中加入硼或磷等杂质——对发展半导体至关重要
它允许调整载流子密度——电子和其他电荷载流子的数量——以产生功能器件
传统的掺杂方法，然而，往往是过于能源密集和潜在的损害工作良好的二维材料
相反，因为二维材料几乎都是表面，研究人员可以将被称为有机电子供体的小分子喷洒到表面上，并激活二维材料——也就是说，创建表面功能化
由于有机化学，这种方法非常有效
它还极大地拓宽了所用材料的选择范围
在这项研究中，查使用了二硫化钼(二硫化钼)
然而，为了进一步优化这些材料，研究人员需要更高水平的精度
他们需要知道牛津英语词典的每个分子给二维材料提供了多少电子，总共需要多少分子
“通过这样做，我们可以继续前进，进行适当的设计，知道如何调整分子，然后增加载流子密度，”查说
为了进行校准，查和她的团队在耶鲁大学西校区的成像中心使用了原子力显微镜
对于他们的材料，他们实现了大约每个分子一个电子的掺杂效率，这使得他们能够展示在二硫化钼中所达到的最高掺杂水平
这只有通过精确的测量才能实现
“现在我们知道了兴奋剂的威力，我们不再处于不知道自己在哪里的黑暗空间，”她说
“以前，我们可以兴奋剂，但不知道兴奋剂有多有效
现在我们有了一些我们想要达到的目标电子密度，我们觉得我们知道如何到达那里
" 在第二篇论文中，查的团队研究了机械应变对锂离子电池中锂有序性的影响
目前商用锂离子电池使用石墨作为阳极
当锂被插入构成石墨的石墨烯层之间的间隙时，间隙需要扩大，为锂原子腾出空间
“所以我们问‘如果你停止扩张呢？’”查说
“我们发现局部应变会影响锂离子的有序性
锂离子有效地被减速
" 当有应变能时，锂不能像以前那样自由移动，需要更多的能量来迫使锂进入它的优选构型
通过计算应变能的确切影响，查的研究小组能够精确地证明锂原子减速的程度
这项研究有更广泛的意义，特别是如果该领域从锂电池转向由其他更容易获得的材料制成的电池，如钠或镁，它们也可以用于可充电电池
“钠和镁比锂大得多，所以与锂相比，差距需要扩大得多，所以紧张的影响会更大，”她说
研究中的实验对机械应变可能对这些其他材料产生的影响提供了类似的理解
研究人员称，查的研究将对推进他们自己的工作非常有帮助
“在这两项与新型二维材料相关的研究中获得的结果，对于开发未来先进的陆军传感和能量存储应用具有重要意义，”博士说
帕尼·瓦拉纳西，ARO分局局长
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