硅基电子产品正在接近其物理极限，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，是用于电子系统(例如晶体管)的有希望的候选材料。然而，精确控制这些材料的性能非常困难。

为了了解二维界面如何以及为何呈现出这样的结构，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，可以可视化二维材料的热诱导重排，逐个原子，从扭曲到使用透射电子显微镜(TEM)对齐结构。

他们观察到了这一过程的一种新的、意想不到的机制，即在一个单层中播种新的颗粒，其结构以相邻层为模板。能够控制层之间的宏观扭曲可以更好地控制整个系统的属性。

这项研究由材料科学与工程教授PinshaneHuang和博士后研究员张一超领导，最近发表在《ScienceAdvances》杂志上。

“双层界面如何相互对齐以及它们通过什么机制转变为不同的配置非常重要，”张说。“它控制整个双层系统的特性，进而影响其纳米级和微观行为。”

二维多层膜的结构和性能通常是高度异质的，并且在样品之间甚至在单个样品内差异很大。层与层之间仅有几度扭曲的两个设备可能会具有不同的行为。众所周知，二维材料会在电子设备制造过程中发生的外部刺激(例如加热)下重新配置。

“人们通常认为这两层就像两张纸相互扭曲45°。要使各层从扭曲变为对齐，只需旋转整张纸即可，”张说。“但我们实际上发现，它有一个核——一个局部纳米级排列的域——并且这个域的尺寸变得越来越大。在正确的条件下，这个排列的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，以观察微小的、对齐的域的生长。他们还观察到，对齐区域可以在相对较低的温度(约200°C)下形成，在2D器件的典型加工温度范围内。

没有足够小和足够快的相机来捕捉原子动力学。那么，团队如何能够可视化这种逐个原子的运动呢?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，本质上是在其周围建造一个小反应室，以便在加热时以原子分辨率观察双层。石墨烯封装有助于将双层原子固定到位，以便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置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，样品经历了100–1000°C之间的半秒热脉冲。每次脉冲后，团队都会使用TEM查看原子的位置，然后重复该过程。

黄解释说：“你实际上可以观察系统的变化，原子从它们最初所处的任何构型稳定到它们想要的能量上有利的构型。”“这可以帮助我们了解制造时的初始结构以及它如何随热演化。”

了解重排是如何发生的可以帮助调整纳米尺度的界面排列。黄说：“无法强调人们对这种可调节性的兴奋程度。”

“两层之间的宏观扭曲是一个非常重要的参数，因为当你在另一层上旋转一层时，你实际上可以改变整个系统的属性。例如，如果你将二维材料石墨烯旋转到特定角度，它就会变成对于某些材料，如果旋转它们，就会改变带隙，从而改变它吸收的光的颜色以及它发出的光的能量，所有这些都可以通过改变层间原子的方向来改变。”

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