二维材料对于开发新型超紧凑电子设备至关重要，但生产无缺陷的二维材料是一项挑战。然而，宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员表示，在这些 2D 材料中发现新型缺陷可能会让我们深入了解如何创造没有这种缺陷的材料。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程助理研究教授 Danielle Reifsnyder Hickey 说：“二维材料是令人兴奋的电子电子新材料，由于它们非常薄，因此可以将设备缩小到非常小的尺寸。” “这对于使电子设备更强大以便它们可以处理更多数据至关重要。但是，在足够大的区域上生长完美的 2D 材料以制造大量高质量设备是一个巨大的挑战。”

Reifsnyder Hickey 和宾夕法尼亚州立大学的研究人员团队发现了新型缺陷，这些缺陷为创建无缺陷 2D 材料的方法提供了线索。这项研究最近发表在Nano Letters 上。

宾夕法尼亚州立大学材料科学副教授纳西姆·阿莱姆 (Nasim Alem) 说：“我们发现了十分之一纳米的埃级新缺陷，并且我们能够将原子结构与几微米的超大尺度相关联。和工程以及该研究的通讯作者。

该团队研究了宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授 Joan Redwing 的研究小组生长的二硫化钨单层膜中的缺陷。二硫化钨属于一类被称为过渡金属二硫属化物的二维晶体，​​它们是三原子厚的晶体，具有使其成为未来电子产品发展的理想选择。

“二维材料单层与块状晶体具有不同的特性，”Reifsnyder Hickey 说。“例如，它们具有直接带隙，因此可以用作非常小的晶体管材料，并且它们的晶体对称性使得新型器件能够基于相对于其体相增加的自由度。”

直接带隙是将电子激发到导电能态以允许电流流动的理想特征。例如，半导体技术依赖于以这种方式操纵电荷。最近，自旋和谷自由度在 2D 材料中也显示出前景，并且可以被操纵以实现新型设备。例如，在材料中定向多个自旋可以产生磁性，并且在具有相同能量但具有不同动量值的不同局部最小和最大能量状态(谷)之间分布电子可以实现处理和存储信息的新方法。释放这些特性潜力的关键是生长无缺陷的薄膜，这只能通过识别和理解原子缺陷来实现，正如在这项工作中实现的那样。

该团队发现的缺陷被称为平移晶界，它发生在具有相同取向但平移偏移的两个微晶之间的界面处。通常，晶界将具有不同取向的晶粒连接起来，并会影响材料特性，例如导热性和导电性，从而降低它们在电子产品中的价值。为了研究不寻常的平移晶界，该团队结合使用了扫描透射电子显微镜成像和 ReaxFF 反作用力场模拟。ReaxFF 由宾夕法尼亚州立大学机械工程杰出教授 Adri van Duin 开发，他也参与了这项研究。

研究发现，所识别的平移晶界作为单层薄膜中细微但普遍存在的缺陷存在。

“通过协同方法，我们能够使用模拟来解释我们的实验结果，并揭示导致这种微观结构的生长机制，”Alem 说。“这是重要的一步，因为通过学习生长和缺陷形成的基础物理学，我们可以学习修改和控制它们，这将对晶体的电子特性产生深远的影响。”

根据 Reifsnyder Hickey 的说法，改进材料将导致更好的电子产品。

“这项研究通过实验发现了这些结构，并使用理论和模拟将它们的形成与生长条件相关联，”Reifsnyder Hickey 说。“现在，我们希望实施我们所学到的知识，以便消除晶粒中的这些偏移，形成足够大的真正单晶薄膜，用于优秀的电子产品。我们还想探索这些和相关原子缺陷的特性。 ”

根据 Reifsnyder Hickey 的说法，能够生产基于二硫化钨单层膜的改进型电子产品，缺陷最少，这对于日益视觉化的社会来说是个好消息。

“几十年前，在电话上观看视频是闻所未闻的，”Reifsnyder Hickey 说。“但现在，我们在视觉上消耗了大量信息，尤其是视频，包括新闻、通讯和娱乐。由于电子产品变得如此强大，我们能够轻松地将实现这一目标的设备放在口袋里。我们的研究结果可能会导致新一代此类设备。”

参与该研究的其他宾夕法尼亚州立大学研究人员包括 Nadire Nayir、Mikhail Chubarov、Tanushree H. Choudhury、Saiphaneendra Bachu、Leixin Miao、Yuanxi Wang、Chenhao Qian 和 Vincent H. Crespi。