纳米级成像提供了对二维和相变材料的见解

加州大学伯克利分校的研究人员开发了尖端的纳米级光学成像技术，为先进材料中的超快载流子动力学提供了前所未有的见解

发表在《Advanced Materials》和《ACS Photonics》上的两项研究展示了在理解二维和相变材料中的载流子行为方面取得的重大进展，这对下一代电子和光电子器件具有重要意义

由Costas p.Grigoropoulos教授、李金刚博士和研究生杨润迪领导的研究团队采用了一种新型的近场瞬态纳米复制技术，以高空间和时间分辨率在纳米尺度上探测材料的行为。这种方法克服了传统光学方法的局限性，使研究人员能够直接可视化和分析以前难以观察到的现象

“我们的技术使我们能够研究各种材料中电荷载流子和激子在纳米尺度上的行为和相互作用，”李解释道。“这对于理解和优化基于这些材料的先进器件的性能至关重要。”在一项研究中，该团队专注于原子薄的过渡金属二硫化物（TMDC），这种材料以其独特的光学和电子特性而闻名。他们观察到单层和双层MoS2中激子复合和扩散过程的复杂细节，揭示了晶体界面附近和纳米级应变区域的不同动力学

为了扩展他们的研究，研究人员还研究了二氧化钒（VO2），这是一种以其显著的相变特性而闻名的材料。利用他们先进的成像技术，他们绘制了弯曲VO2纳米束中金属和绝缘相的纳米级分布图

杨说：“我们已经能够以前所未有的细节直接描绘出VO2中不同相位的共存。”。“这使我们能够了解应变如何在基本水平上影响材料的电子性能。”

令人惊讶的是，与绝缘相相比，该团队观察到VO2金属相中的载流子复合较慢，但扩散较快。这一发现为材料在相变过程中的行为提供了新的见解，这对于开发先进的开关和存储设备至关重要

该研究还强调了局部材料特性（如应变和界面）对TMDC和VO2中激子和载流子动力学的影响。这种理解对于能够利用这些纳米级效应来提高性能的工程设备至关重要

Grigoropoulos教授说：“这些技术为研究各种纳米材料和纳米器件开辟了新的可能性。我们对从能量收集到量子信息处理等领域的潜在应用感到兴奋。”

这些研究的综合结果表明了先进的纳米级成像技术在揭示纳米材料复杂物理方面的力量。随着研究人员不断完善这些方法，我们可以期待在原子尺度上对材料的理解取得进一步突破，为利用纳米材料独特特性的创新技术铺平道路

这些发现对下一代电子和光电子器件的发展具有重大意义，包括高性能传感器、存储器件和自适应光学元件

在如此精细的尺度上探测和操纵材料特性的能力有望加速在广泛应用中开发更高效、更有能力的技术 More information: Jingang Li et al, Transient Nanoscopy of Exciton Dynamics in 2D Transition Metal Dichalcogenides, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202311568

Rundi Yang et al, Near-Field Nanoimaging of Phases and Carrier Dynamics in Vanadium Dioxide Nanobeams, ACS Photonics (2024). DOI: 10.1021/acsphotonics.4c00848

Journal information: Advanced Materials , ACS Photonics