作者小格伦·罗伯茨
劳伦斯·伯克利国家实验室 该动画显示了2D材料的箭头形薄片的扫描
在伯克利实验室的高级光源中，使用一种基于x光的技术，即纳米技术，对样品的电子能量、动量以及水平和垂直坐标进行了扫描
红色代表测量的最高强度，其次是橙色、黄色、绿色、蓝色和紫色(最不强烈)
学分:罗兰·科赫/柏克莱实验室 俗话说，没有什么是完美的，这并不总是一件坏事
在能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的一项研究中，科学家们了解到纳米尺度的缺陷如何增强超薄的所谓二维材料的特性
他们结合了一套技术，研究在制造称为二硫化钨(WS2)的单层材料的微小薄片时形成的天然纳米级缺陷，并详细测量了它们的电子效应，这在以前是不可能的
“通常我们会说缺陷对一种材料是有害的，”克里斯托弗·卡斯尔说，他是伯克利实验室分子铸造厂的博士后研究员，也是这项研究的主要作者，该研究发表在《美国化学学会纳米》杂志上
“他们在这里提供功能
" 二硫化钨是一种研究得很好的二维材料，像其他同类二维材料一样，由于其原子的薄而表现出特殊的性质
它特别以其吸收和发射光的效率而闻名，并且它是半导体
这种二维材料家族的成员可以用作高效计算机晶体管和其他电子元件，它们也是超薄、高效太阳能电池和发光二极管照明以及量子计算机的主要候选材料
这些二维材料还可以用于新形式的存储器存储和数据传输，如自旋电子学和valleytronics，这将通过以新的方式使用材料来制造更小、更高效的器件，从而彻底改变电子学
最新的结果标志着实验室高级光源(ALS)的第一次全面研究，涉及一种叫做纳米宝石的技术，研究人员利用x光探测二维样本
x光击昏了样品中的电子，使研究人员能够测量它们的方向和能量
这揭示了纳米尺度的缺陷和电子之间的相互作用
纳米雅宝的能力被装在2016年发射的x光束线中，被称为MAESTRO(微观和电子结构观测站)
它是ALS的几十条专门光束线之一，为各种同步实验产生不同形式的光——从红外线到x光
“这是一个非常大的进步，使这种电子结构在小长度尺度上，”艾利·罗滕博格说，他是肌萎缩侧索硬化症的高级工作人员科学家，是发展MAESTRO的推动力，也是这项研究的领导者之一
“这对真正的设备很重要
" 该团队还使用了一种被称为XPS (X射线光电子能谱)的技术，以非常小的规模研究样本的化学组成；一种原子力显微镜，用于观察接近原子尺度的结构细节；和一种组合形式的光学光谱学(拉曼/光致发光光谱学)来研究光如何在显微镜下与电子相互作用
各种技术被应用于合成材料的分子铸造厂和原子力显微镜
研究中使用的样本包含微观的、大致呈三角形的薄片，每个薄片的直径约为1至5微米(百万分之一米)
它们是在二氧化钛晶体上生长的，使用了一种叫做化学气相沉积的传统分层工艺，缺陷主要集中在薄片的边缘，这是生长过程的一个特征
大多数实验都集中在一片二硫化钨上
这张图片展示了一种叫做二硫化钨的2D材料的原子结构
钨原子显示为蓝色，硫原子显示为黄色
背景图像由伯克利实验室分子铸造厂的电子显微镜拍摄，显示了通过一种叫做化学气相沉积的方法在二氧化钛层(浅灰色)上生长的片状物质(深灰色)
学分:凯瑟琳·科克伦/伯克利实验室 亚当·施瓦茨伯格是分子铸造厂的一名员工科学家，也是这项研究的共同领导者，他说:“需要多种技术的结合来确定到底发生了什么
" 他补充说，“现在我们知道了我们有什么缺陷，以及它们对材料特性有什么影响，我们可以利用这些信息来减少或消除缺陷——或者如果你想要缺陷，它给了我们一个知道缺陷在哪里的方法，”并提供了关于如何在样品生产过程中传播和放大缺陷的新见解
虽然在最新的研究之前，WS2薄片中边缘缺陷的浓度通常是已知的，但施瓦茨伯格说，他们对材料性能的影响以前从未以如此全面和详细的方式进行过研究
研究人员发现，与其他区域相比，样品边缘缺陷区域的硫原子含量少了10%，他们发现薄片中心的硫含量少了3%
研究人员还注意到电子结构的变化，以及与高缺陷边缘区域相关的更大量的自由移动的电荷载流子
对于这项研究，缺陷是由于样品生长过程
未来的纳米雅宝研究将侧重于通过化学处理或其他处理方法产生缺陷的样品
研究人员希望控制受影响的原子的数量和种类，以及这些缺陷集中在薄片中的位置
这种微小的调整对于催化等过程来说可能很重要，催化被用来增强和加速许多重要的工业化学生产过程，并探索依赖于单个粒子生产的量子过程，这些粒子在电子学中充当信息载体
这一系列图像显示了称为二硫化钨的2D材料边缘的各种能量强度(白色和黄色)，这是通过不同技术测量的:光致发光强度(最左边)；接触电位差图(从左数第二个)；激子发射强度(左起第三个)——激子是一对一致的电子和它们的准粒子对应物，称为空穴；trion发射强度(最右侧)trion是三个带电准粒子的集合体，由两个电子和一个空穴或两个空穴和一个电子组成
学分:克里斯托夫·卡斯特尔/伯克利实验室 由于对WS2和相关二维材料的研究仍处于起步阶段，关于特定类型的缺陷在这些材料中所起的作用还有许多未知因素，罗滕博格指出，在这些材料中有许多所谓的“缺陷工程”的可能性
此外，迈斯卓的纳米雅宝能够研究不同类型的二维材料层堆叠的电子结构
这有助于研究人员了解它们的属性如何依赖于它们的物理排列，并探索包含二维材料的工作设备
罗滕博格说:“前所未有的小规模测量——目前接近50纳米——使纳米雅宝成为一个伟大的发现工具，这将特别有助于理解新材料的发明。”
MAESTRO是实验室ALS升级(ALS-U)项目中优先升级的光束线之一，该项目是一项重大工程，将为实验产生更亮、更聚焦的光束
“ALS-U项目将进一步提高纳米雅宝技术的性能，”罗滕博格说，“使其测量效率提高10到30倍，并显著提高我们达到更短长度刻度的能力。”
" 纳米雅宝在新太阳能技术的发展中可以发挥重要作用，因为它让研究人员能够看到化学成分、缺陷数量和其他结构特征的纳米级变化如何影响最终控制其性能的电子
这些相同的问题对于许多其他复杂材料也很重要，例如超导体、磁体和热电材料——它们将温度转换为电流，反之亦然——因此纳米雅宝对这些材料也非常有用
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