科技日報記者 張夢然

據(jù)最新一期《自然·材料》報道，美國羅格斯大學(xué)新不倫瑞克分校團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一類新型材料——晶間。這類材料展現(xiàn)出一種此前未被發(fā)現(xiàn)的電子特性，可能為更高效的電子元件、量子計算以及環(huán)保材料的發(fā)展帶來突破。

這項發(fā)現(xiàn)依托于現(xiàn)代物理學(xué)中的“扭曲電子學(xué)”技術(shù)，即通過以特定角度扭曲二維材料層來形成摩爾紋結(jié)構(gòu)，從而改變材料內(nèi)部電子的行為。這些特殊的結(jié)構(gòu)配置可產(chǎn)生常規(guī)晶體中無法實現(xiàn)的新奇物理特性。

團(tuán)隊首先將兩層超薄石墨烯堆疊在一起，每層都是一原子厚的碳原子片，排列成六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。隨后，他們在一層由硼和氮組成的六方晶體材料——六方氮化硼上，對其中一層石墨烯進(jìn)行輕微的扭曲。結(jié)果這種微小的錯位形成了類似摩爾紋的圖案，類似于兩個細(xì)網(wǎng)屏重疊時出現(xiàn)的視覺效果。正是這種層間的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，顯著改變了電子在材料中的傳輸行為。

這一發(fā)現(xiàn)為材料設(shè)計開辟了全新路徑。新材料之所以被命名為晶間，是因為它們兼具晶體與準(zhǔn)晶體的特征。它們像準(zhǔn)晶體一樣具有非周期性的結(jié)構(gòu)圖案，卻又保留了傳統(tǒng)晶體的某些對稱性。晶間材料使科學(xué)家能夠僅通過調(diào)整幾何結(jié)構(gòu)來控制電子的行為，而不必依賴于改變材料的化學(xué)成分。通過深入研究和調(diào)控晶間材料中電子的獨特性質(zhì)，科學(xué)家有望開發(fā)出更高效的晶體管、傳感器等電子器件，而這些功能以往需要更復(fù)雜的材料組合和加工工藝才能實現(xiàn)。

晶間材料的特性可能導(dǎo)致一系列新穎和異常的物理現(xiàn)象，例如超導(dǎo)性和磁性。它還有望用于低能耗電子器件和原子級傳感器，在量子計算機(jī)的構(gòu)建中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并能為新一代消費電子產(chǎn)品提供動力。未來還有望設(shè)計出完整的電子電路，其中每一項功能，如開關(guān)、傳感、信號傳輸?shù)龋伎梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)原子級別的幾何結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，晶間材料或?qū)⒊蔀檫@類未來技術(shù)的核心基礎(chǔ)。

總編輯圈點

扭一扭，新功能都有。科學(xué)家把兩層超薄石墨烯疊在一起，讓其中一層輕微扭動，如同把兩張紗網(wǎng)錯開疊放，形成波紋圖案，這改變了材料內(nèi)部電子的運動方式，使其具有“超能力”。這種材料既像普通晶體，又像準(zhǔn)晶體，于是被稱為“晶間”。只需調(diào)整原子排列結(jié)構(gòu)，就能控制電子行為。科學(xué)家設(shè)想，用這種材料設(shè)計原子級電路，所有功能都可通過“結(jié)構(gòu)變形”實現(xiàn)。未來，它還可成為高效電子設(shè)備、量子計算機(jī)甚至環(huán)保科技的基礎(chǔ)材料。