二维材料扭曲可以改进电子、光学器件

来自宾夕法尼亚州立大学、哈佛大学、麻省理工学院和罗格斯大学的研究人员表示，通过控制用于这些设备的特定类型的双层2D材料的扭曲角度，加强存在于两层之间的固有电荷，一代电子和光电子学可能很快就会成为可能。

研究人员使用了常规过渡金属二卤属化合物(TMD) 2D材料和Janus TMDs，这是一种以罗马二元之神Janus命名的2D材料。这些双分子层2D材料在层与层之间有相互作用，称为范德华层间耦合，导致电荷转移，这是一个对电子设备功能很重要的过程。传统的tmd两边的电荷转移是相同的，因为每一边都有相同类型的原子。在Janus TMD材料的情况下，材料两侧的原子类型不同，导致每一侧与其他二维材料接触时电荷转移变化。

“在我们的研究中，Janus TMD材料两侧的两种原子是硫和硒，”宾夕法尼亚州立大学电气工程和生物医学工程助理教授黄圣喜(Shengxi Huang)说，他是最近发表在ACS Nano上的这项研究的合著者。“因为它们是不同的，所以顶部和底部可能会有电荷分离或电荷不平衡。它创造了一个垂直方向的内在电场，这与传统的2D材料非常不同。”

在之前的研究中，黄和其他研究人员试图了解这种固有电场是否会在相邻的二维材料分层时影响它们。他们发现，Janus 2D材料中的耦合比传统2D材料更强，这是由于两侧不同类型的原子引起的不对称电荷。

对于目前的工作，他们手动堆叠了两种类型的材料层，Janus TMD和常规2D材料，这导致了随机角度，取决于它们的堆叠方式。但当他们调整每一层的堆叠角度到特定程度时，他们有了一个有趣的发现。如果三角形材料被扭曲成零度角堆叠，当它们完全对齐时，或者以60度角堆叠，当它们完全对齐时，他们发现耦合比随机角度牢固得多。此外，他们还发现，当Janus TMD与具有相同类型元素的常规TMD分层时，层间耦合更强。

黄说:“主要的发现是，对于同样的硫/硫界面，层间耦合比硫/硒界面强得多。”“这是因为这些原子中的电荷分布与偶极子方向有关。这意味着两层之间可以进行有效的电荷转移。根据我们的计算，分离，即夹层之间的距离，要小得多，所以这表明有更强的耦合。”

为了发现这一点，黄和他的团队使用了低频拉曼光谱。他们将光照射到两层二维材料上，导致材料的原子振动。振动越快、频率越高，说明层间耦合越强。

“你可以想象用一个弹簧连接两个球，”黄说。“如果弹簧振动得非常快，那就意味着弹簧很结实。”

研究小组在研究过程中使用的另一种方法是光致发光光谱法。当两层二维材料相互交换电荷时，其中一层材料的光发射强度会下降。这是因为有一些电荷转移到另一层，而在“发送”层中没有足够的电荷发生光致发光。

“我们用它来衡量两层之间的电荷转移程度，”宾夕法尼亚州立大学电气工程博士候选人、该研究的共同主要作者张昆燕说。“我们从发光中得到的结果与我们的低频拉曼光谱是一致的。在我们从原子振动中看到更强的耦合的地方，我们也看到了光发射的更大下降。”

这些发现对电子学和光电子学的发展具有重要意义。控制层间耦合和诱导不同的光学和/或电子行为对许多光电和电子器件的性能具有重要意义。

黄教授说:“这些新材料的能力可以影响很多应用，从光电子学到电子设备，再到电池等电化学设备的催化能力。”“这些设备在我们的日常生活中无处不在，比如照明、电子产品、电器和电池。”

这一研究领域的后续工作将包括层间耦合如何影响其他类型的材料。此外，他们的发现可能对未来的其他研究人员有用。

“我们领域以外的人也能从我们的研究中受益，”张说。“以前没有研究过使用带有扭转角的接口来调节这种内部耦合。这些发现可能会对那些不涉及Janus tmd的2D领域的其他人产生影响。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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