一項突破性的新研究介紹了一種扭曲的多層晶體結構，它對未來技術材料具有潛在的影響，利用一種新穎的”扭曲外延”方法，可徹底改變半導體應用和量子電子學。

科學家發現，當晶體被夾在兩個基底之間時，它們會扭曲–這是探索電子和其他應用領域新材料特性的關鍵步驟。

來自美國能源部SLAC 國家加速器實驗室、史丹佛大學和勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的研究人員首次培育出了扭曲的多層晶體結構，並測量了該結構的關鍵特性。這種創新結構有望幫助創造先進的材料，應用於太陽能電池、量子計算、雷射和其他各種技術。

“這種結構是我們以前從未見過的–這對我來說是一個巨大的驚喜，”史丹佛大學和SLAC教授、論文合著者崔毅說。”在未來的實驗中，這種三層扭曲結構中可能會出現一種新的量子電子特性。”

團隊設計的晶體擴展了外延生長的概念，即一種晶體材料有序地生長在另一種材料之上的現象–有點像在土壤之上長出整齊的草坪，但卻是原子級的。50 多年來，了解外延生長對許多產業，尤其是半導體產業的發展至關重要。事實上，外延生長是我們今天使用的許多電子設備的一部分，從手機、電腦到太陽能電池板，都允許電力在其中流動或不流動。

迄今為止，外延研究的重點是在一層材料上生長另一層材料，並且兩種材料在界面上具有相同的晶體取向。幾十年來，這種方法在電晶體、發光二極體、雷射和量子設備等許多應用領域都取得了成功。但是，為了找到性能更好的新材料，以滿足量子計算等更高的需求，研究人員正在尋找其他外延設計–可能更複雜但性能更好的外延設計，這就是本研究中展示的”扭曲外延”概念。

在最近發表在《科學》（Science）雜誌上的一篇論文中詳細介紹了他們的實驗，研究人員在傳統半導體材料二硫化鉬（MoS2）的兩層薄片之間添加了一層金。崔教授在史丹佛大學材料科學與工程系的研究生、論文的共同作者崔毅（音譯）說，由於上下兩層板的方向不同，金原子無法同時與兩層板對齊，因此金結構發生了扭曲。

研究生崔毅說：”只有底層MoS2時，金很樂意與之對齊，因此不會發生扭曲。但如果有兩層扭曲的MoS2，金就不能確定是與頂層對齊還是與底層對齊。我們設法幫助金解決了它的困惑，並發現了金的取向與雙層MoS2 扭轉角度之間的關係。”

為了詳細研究金層，史丹佛材料與能源科學研究所（SIMES）和LBNL 的研究團隊將整個結構的樣本加熱到攝氏500度。然後，他們利用一種名為透射電子顯微鏡（TEM）的技術將電子流穿過樣品，從而揭示了金奈米盤在不同溫度下退火後的形態、取向和應變。測量金奈米盤的這些特性是了解未來如何將新結構設計用於實際應用的必要第一步。

崔說：『如果沒有這項研究，我們根本不知道在半導體頂部扭曲金屬外延層是否可能。用電子顯微鏡測量完整的三層結構證實，這不僅是可能的，而且可以用令人興奮的方式控制新結構”。

下一步，研究人員希望利用TEM 進一步研究金奈米盤的光學特性，並了解其設計是否會改變金的帶狀結構等物理特性。他們也希望擴展這個概念，嘗試用其他半導體材料和其他金屬來建造三層結構。

史丹佛大學材料科學與工程學院查爾斯-皮戈特（Charles M. Pigott）教授、論文合著者鮑勃-辛克萊爾（Bob Sinclair）說：「我們正在開始探索是否只有這種材料組合才能實現這種效果，或者這種效果是否會更廣泛地發生。這一發現開啟了我們可以嘗試的一系列全新實驗。我們可能即將找到可以利用的全新材料特性。”

編譯來源：ScitechDaily