平行宇宙在平面上交叉:物理学家观察修正的能量景观

2D薄片互相交叉和扭曲

2D薄片彼此交叉和扭曲,修改材料的能量景观。信贷:Ventsislav Valev

英国浴室大学的物理学家观察2D材料交叉口的改良能源景观。

1884年,Edwin Abbott写了新颖的Flatlland:许多维度作为维多利亚时代的层次结构的讽刺。他想象一个只有两个维度存在的世界,其中众生是2D几何图形。这种世界的物理有点类似于现代2D材料的物理,如石墨烯.过渡金属二硫系物,包括二硫化钨(WS2)、二硒化钨(WSe2)、二硫化钼(MoS2)和二硒化钼(MoSe2)。

现代2D材料包括单一 -原子层,电子可以在二维空间中移动但它们在三维空间的运动受到限制。由于这种“挤压”,2D材料增强了光学和电子性能,在能源、通信、成像和电子等领域的下一代超薄器件显示出巨大的前景量子计算等等。

通常,对于所有这些应用,2D材料以平坦的布置设想。然而,不幸的是,这些材料的强度也是它们最大的弱点 - 它们非常薄。这意味着当它们被照亮时,光可以仅在微小的厚度上与它们相互作用,这限制了它们的实用性。为了克服这种缺点,研究人员开始寻找新的方法来将2D材料折叠成复杂的3D形状。

在我们的3D宇宙中,2D材料可以排列在彼此之上。为了扩展“平面世界”的比喻,这样的安排实际上代表了一个平行世界,里面居住着注定永远不会相遇的人。

现在,英国巴斯大学物理系的科学家已经找到了一种方法来安排2D张WS2(以前在实验室中创建的)进入3D配置,导致能量景观与...相比强烈修改平坦的WS2床单。这种特殊的3D布置被称为“nanomesh”:覆盖填充,随机分布的堆叠的织物网络,其包含扭曲和/或熔化的WS2薄片。

在《Flatland》中,这类修改将允许人们进入彼此的世界。领导这项研究的Ventsislav Valev教授说:“我们并不是一开始就想让平面国的居民感到痛苦,但是由于我们在2D材料的纳米工程中设计了许多缺陷,这些假设的居民会发现他们的世界非常奇怪。”

“首先,我们的WS2薄片有有限的尺寸和不规则的边缘,所以他们的世界将有一个奇怪的形状的末端。此外,一些硫原子已经被氧取代,这对任何居民来说都是错误的。最重要的是,我们的薄片交叉融合在一起,甚至互相扭曲,这改变了材料的能量景观。对于平原人来说,这样的效果就像是宇宙法则突然改变了他们的整个地形。”

Adelina Ilie博士和她以前的博士生、博士后刘子晨一起开发了这种新材料,她说:“改进的能源景观是我们研究的关键。这证明,将2D材料组装成3D排列不仅会产生“更厚”的2D材料,还会产生全新的材料。我们的纳米网在技术上很容易制造,而且它提供了可调的材料属性,以满足未来应用的需求。”

valev教授添加:“Nanomesh具有非常强烈的非线性光学特性 - 它可以通过宽的颜色调色板将一个激光颜色转换为另一个激光颜色。我们的下一个目标是在SI波导上使用它以开发量子光学通信。“

博士生亚历山大·墨菲,也参与了该研究,说:“为了揭示改良的能源景观,我们设计了新的表征方法,我期待将这些应用于其他材料。谁知道还有什么我们可以发现什么?“

2021年5月10日,激光与光子学评论
DOI:10.1002 / LPOR.202100117

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