逐原子：二维材料中的成像结构变换

硅基电子器件正接近其物理极限，需要新材料来满足当前的技术需求。二维（2D）材料具有丰富的特性，包括超导性和磁性，是用于晶体管等电子系统的有前途的候选者。然而，精确控制这些材料的性能是非常困难的

为了理解2D界面如何以及为什么会呈现出它们所具有的结构，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发了一种方法，使用透射电子显微镜（TEM）观察2D材料从扭曲结构到排列结构的逐原子热致重排

他们观察到这一过程的一种新的、出乎意料的机制，即在一个单层内接种新的颗粒，其结构由相邻层模板化。能够控制层之间的宏观扭曲允许对整个系统的特性进行更多的控制

这项研究，由材料科学&；工程教授黄品善和博士后研究员张一超的研究成果最近发表在《科学进展》杂志上

张说：“双层的界面如何相互对齐，以及通过什么机制转化为不同的构型，这非常重要。”。“它控制着整个双层系统的性能，而这反过来又影响了其纳米级和微观行为。”

2D多层膜的结构和性能通常是高度不均匀的，并且在不同样品之间甚至在单个样品内变化很大。两个层之间只有几度扭曲的设备可能具有不同的行为。2D材料也已知在电子设备的制造过程中发生的外部刺激（如加热）下重新配置

张说：“人们通常认为这两层纸就像两张纸相互扭曲45度。要使这两层从扭曲到对齐，只需旋转整张纸。”。“但事实上，我们发现它有一个原子核，一个局部的纳米级排列结构域，并且这个结构域的大小越来越大。如果条件正确，这个排列结构域可以占据双层的整个大小。”

虽然研究人员推测这可能会发生，但还没有任何原子尺度的直接可视化来证明或反驳这一理论。然而，张和其他研究人员能够直接跟踪单个原子的运动，看到微小的、排列整齐的结构域生长。他们还观察到，排列区域可以在相对较低的温度下形成，约200°；C、 在2D器件的典型处理温度范围内

没有足够小和足够快的相机来捕捉原子动力学。那么，该团队是如何将这种逐个原子的运动可视化的呢？该解决方案非常独特。他们首先将扭曲的双层封装在石墨烯中，基本上在其周围建造了一个小反应室，以在加热时以原子分辨率观察双层。石墨烯的封装有助于将双层的原子固定在适当的位置，从而可以观察到任何结构转变，而不是晶格被TEM的高能电子破坏

然后将封装的双层放在可以快速加热和冷却的芯片上。为了捕捉快速原子动力学，样品经历100&ndash；1000°；C.每次脉冲后，研究小组都会使用TEM观察原子的位置，然后重复这个过程

黄解释道：“你实际上可以观察到系统的变化，原子从最初的构型稳定到它们想要的能量有利的构型。”。“这可以帮助我们了解它制造时的初始结构以及它是如何随热演化的。”

了解重排是如何发生的，有助于在纳米尺度上调整界面排列。“无法强调人们对这种可调谐性有多兴奋，”黄说

“两层之间的宏观扭曲是一个非常重要的参数，因为当你将一层旋转到另一层时，你实际上可以改变整个系统的性质。例如，如果你将2D材料石墨烯旋转到特定角度，它就会变成超导材料。对于某些材料，如果你旋转它们，你会改变带隙，带隙会改变它吸收的光的颜色和发射的光的能量。所有这些都是通过改变层间原子的方向来改变的。”