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团队揭示了新的单原子厚材料的可能性

UMBC物理学助理教授Can Ataca解释说,新型2D材料具有改变技术的潜力,其应用范围从太阳能电池到智能手机和可穿戴电子产品。这些材料由以晶体结构结合在一起的单原子层组成。实际上,它们是如此之薄,以至于一千万个堆叠只有1毫米厚。Ataca说,有时候,少即是多。某些二维材料比厚得多的相似材料更有效。

尽管具有优势,但是二维材料目前制造困难且昂贵。这意味着试图创建它们的科学家需要仔细选择如何在开发中投入时间,精力和资金。

Daniel Wines博士的新研究 阿塔卡(Ataca)为这些科学家提供了从事该领域高影响力研究所需的信息。他们的理论工作提供了可靠的信息,说明哪些新材料可能对一系列应用具有理想的性能,并可能以稳定的形式存在于自然界。在ACS Applied Materials and Interfaces上发表的最新论文中,他们使用了尖端的计算机建模技术来预测尚未在现实​​生活中制造的2D材料的属性。

怀恩斯说:“我们通常试图使实验者领先五年左右。” 这样,他们可以避免陷入昂贵的困境。“这是他们可以专注于其他事情的时间,精力和金钱。”

完美搭配

这篇新论文着重于被称为III族氮化物的二维材料的稳定性和性能。这些是氮和元素周期表中第III组元素的混合物,其中包括铝,镓,铟和硼。

科学家已经少量制作了其中一些二维材料。然而,Wines和Ataca并没有模拟第三类元素中的一种与氮的混合物,而是模拟了合金-包括氮和两种不同的第三类元素的混合物。例如,他们预测了主要由铝制成,但添加了一些镓,或者主要是镓,但是添加了一些铟的材料的性能。

这些“中间”材料可能具有在某些应用中可能有用的中间属性。阿塔卡说:“通过进行这种合金化,我们可以说,我有橙色的光,但是我有可以吸收红光和黄光的材料。” “那么我该如何混合才能吸收橙色光呢?” 例如,调整这些材料的光吸收能力可以提高太阳能系统的效率。

未来的合金

Ataca和Wines还研究了材料的电和热电特性。如果一种材料在一侧冷而另一侧热时可以发电,则它具有热电功能。阿塔卡说,基本的Ⅲ族氮化物具有热电性能,但在一定浓度下,合金的热电性能要好于基本的Ⅲ族氮化物。

Wines补充说:“这是进行合金化的主要动机,即性能的可调性。”

他们还表明,并不是所有的合金在现实生活中都是稳定的。例如,任何浓度的铝和硼的混合物都是不稳定的。但是,镓-铝混合物的五个不同比例是稳定的。

一旦III族碱性氮化物的生产变得更加可靠并扩大了规模,Wines和Ataca希望科学家们以其结果为指导,致力于为特定应用设计材料。

回到基础...超级计算机

Wines和Ataca使用超级计算机对材料的属性进行建模。阿塔卡说:“我们没有使用实验数据作为模型的输入,而是使用量子力学的基础知识来创建这些特性。因此,好的部分是我们没有任何实验偏差。” “我们正在研究没有任何实验证据的东西。因此,这是一种可信赖的方法。”

要获得最准确的结果,需要大量的计算能力,并且需要很长时间。以最高的精度级别运行他们的模型可能需要几天的时间。

怀恩斯说:“这就像在讲一个故事。” “我们经过最基本的步骤来筛选材料”,这只需要大约一个小时。“然后,我们使用功能最强大的计算机达到最高的准确性,以找到可能的最准确的参数。”

阿塔卡补充说:“我认为这些研究的美丽之处在于,我们从基础开始,从字面上讲达到了我们领域中最精确的水平。” “但是我们总是可以要求更多。”

新的前沿

他们继续前进,进入未知的科学领域。在另一篇论文中,物理学教授Theodosia Gougousi在ACS Applied Materials and Interfaces的第一篇发表后的一周内发表了论文。Jaron Kropp博士 '20,物理学;Ataca演示了一种将2D材料集成到实际设备中的方法。

二维材料通常需要附着到设备内的电子电路上。需要进行中间连接才能建立连接-团队找到了可行的连接。阿塔卡说:“我们有一个可以做到这一点的分子,可以与材料建立连接,以便将其用于外部电路应用。”

这个结果对于二维材料的实现来说意义重大。古古西说:“这项工作将对二维原子晶体表面上发生的过程的基础实验研究与对该系统的详细计算评估相结合。” “它为设备社区提供了指导,使他们可以成功地将新颖的材料集成到传统的设备体系结构中。”

跨学科合作

这项工作的理论分析发生在Ataca的实验室中,而实验则发生在Gougousi的实验室中。克罗普在这两个小组中都工作过。

古古西说:“该项目体现了科学技术发展与进步所需要的协同作用。” “这也是我们的研究生必须从事具有重大技术兴趣的问题,发展广泛的知识基础和独特的技术技能的机会的一个很好的例子。”

第二篇论文的第一作者克罗普(Kropp)很高兴拥有这项研究经验。

他说:“二维半导体之所以令人兴奋,是因为它们非常薄,因此有潜力应用于非传统电子设备(如可穿戴或柔性电子产品)中。” “我很幸运有两位优秀的顾问,因为这使我能够无缝地将实验和理论工作结合在一起。我希望这项工作的结果能够帮助其他研究人员开发基于二维材料的新设备。”

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