通过注入电子改变原子的二维模式

根据能源部劳伦斯伯克利国家实验室研究人员领导的一项新研究，相同的静电荷可以使头发竖起来，并将气球连接到衣服上，这可能是驱动未来原子薄电子存储设备的有效方式。伯克利实验室)。

在今天发表在《自然》杂志上的一项研究中，科学家发现了一种可逆地改变二维材料原子结构的方法，方法是通过注入或“掺杂”电子。这一过程比目前改变材料结构的方法使用更少的能量。

该研究的首席研究员、伯克利实验室材料科学部门的高级教员科学家、加州大学伯克利分校教授张翔说，“我们首次表明，注入电子来驱动材料的结构相变是可能的。”“通过向材料中添加电子，整体能量上升并将达到平衡，从而导致原子结构重新排列成更稳定的新模式。这种由电子掺杂驱动的二维极限结构相变不仅在基础物理中很重要；它还为下一代超薄设备中的新电子存储器和低功耗开关打开了大门。”

将材料的结构配置从一种相切换到另一种相是当今数字电路的基本二进制特征。可以实现这种相变的电子元件已经缩小到纸张大小，但科学家认为它们仍然被认为是大型三维层。相比之下，2-D单层材料由原子或分子的单层组成，其厚度是人类头发的10万倍。

“电子掺杂改变材料原子结构的想法是二维材料所独有的，二维材料比三维块体材料更容易电调谐，”该研究的第一作者之一、张实验室的研究生说。

推动材料结构转变的经典方法包括加热到500摄氏度以上。这些方法是能量密集型的，并且对于实际应用是不可行的。此外，过热会显著缩短集成电路中元件的寿命。

许多研究小组也研究了使用化学物质来改变半导体材料中原子的结构，但这一过程仍然难以控制，并没有被工业界广泛采用。

“在这里，我们使用静电掺杂来控制二维材料的原子结构，”该研究的第一作者之一，张实验室的另一名研究生说。“与使用化学药品相比，我们的方法是可逆的，没有杂质。更有可能集成到手机、电脑等电子设备的制造中。”

研究人员使用了典型的二维半导体碲化钼(MoTe2)，并将其涂上离子液体(德梅-TFSI)，离子液体具有超高的电容或存储电荷的能力。离子液体层允许研究人员将每平方厘米数百亿到数百亿个电子注入半导体。研究人员表示，它的电子密度比三维块体材料高一到两个数量级。

通过光谱分析，研究人员确定电子注入使原子碲化钼的排列从六边形变为单斜形，后者具有更倾斜的长方体形状。一旦电子缩回，晶体结构就会恢复到原来的六边形，这表明相变是可逆的。此外，这两种类型的原子排列具有非常不同的对称性，这为光学元件中的应用提供了大的对比度。

“这种原子级薄的设备可以具有双重功能，同时用作光学或电子晶体管，从而扩展了我们日常生活中使用的电子设备的功能，”王说。

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