一百年前“2D”（二維）的意思是一銅板或1寸的釘子，而今天“2D”涵蓋了廣泛的原子薄扁平材料，其中許多具有在相同材料的大塊等效材料中找不到奇異屬性，石墨烯（單原子厚的碳形式）可能是最突出的。

雖然許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的研究人員都在探索二維材料及其特殊性質(zhì)，但材料科學(xué)家們對這些二維材料和普通三維材料結(jié)合在一起時會發(fā)生什么非常感興趣。對2D材料和3D材料之間的接口感興趣，因為想在應(yīng)用程序中使用每一個2D材料，比如電子設(shè)備，仍然需要與外部三維世界連接。

現(xiàn)在正處于一個有趣的時期，因為電子顯微鏡等儀器設(shè)備有了巨大發(fā)展，人們對具有非常精確控制的結(jié)構(gòu)和性能的材料非常感興趣，這兩件事以一種迷人的方式交叉。Ross專門研究納米材料如何在氣體和液體介質(zhì)中生長和反應(yīng)，通過使用電子顯微鏡記錄影像。液體中的反應(yīng)，顯微鏡對于理解電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理特別有用，這些電化學(xué)反應(yīng)控制著催化劑、電池、燃料電池和其他重要技術(shù)的性能。在液相顯微鏡的情況下，還可以觀察物體溶解的地方的腐蝕，而在氣體中，可以觀察單個晶體如何生長，或者材料是如何與氧發(fā)生反應(yīng)。

記錄影像

IBM捐贈給麻省理工學(xué)院的一個實驗設(shè)置，超高真空蒸發(fā)器系統(tǒng)首先到達(dá)，隨后直接連接到專門設(shè)計的透射電子顯微鏡上，這給了強(qiáng)大的可能性?？梢园褬悠贩旁谡婵罩校鍧嵥?，對它做各種各樣的事情，比如加熱和添加其他材料，然后在真空下將它轉(zhuǎn)移到顯微鏡中，在那里可以在記錄圖像的同時做更多實驗。例如可以沉積硅或鍺，或蒸發(fā)金屬，而樣品在顯微鏡中，電子束通過它照射，記錄這一過程的影像。在等待透射電子顯微鏡建立的同時，本研究組的成員，制作并研究了各種自組裝結(jié)構(gòu)。

蒸發(fā)器系統(tǒng)暫時安置在MIT.nano的五層原型空間，而Ross的實驗室則在13號樓準(zhǔn)備就緒。所有人都對材料科學(xué)這一重大挑戰(zhàn)感興趣，這就是：如何制造出一種具有你想要性能的材料，特別是，你如何使用納米尺度來調(diào)整這些性能，并創(chuàng)造出新的性能，這是你無法從散裝材料中獲得的？利用超高真空系統(tǒng)，研究人員在幾種二維材料上形成了金和鈮的結(jié)構(gòu)。Shu Fen Tan合成了鎳——鉑納米顆粒，并使用另一種技術(shù)——液細(xì)胞電子顯微鏡對其進(jìn)行了檢查。

可以安排只溶解鎳，留下尖刺的白金骨架，在液體細(xì)胞內(nèi)部，能夠在高空間和時間分辨率下看到整個過程。鉑是一種貴金屬，比鎳活性低，所以在適當(dāng)?shù)臈l件下，鎳參與電化學(xué)溶解反應(yīng)，而鉑被留在后面。Tan指出，鉑在有機(jī)化學(xué)和燃料電池材料中是一種眾所周知的催化劑，但它也很昂貴，因此尋找與鎳等價格較低材料的組合是可取的。這是一個例子，可以使用液體電池技術(shù)在電子顯微鏡中成像材料反應(yīng)的范圍，可以生長材料；可以蝕刻它們；例如可以觀察氣泡的形成和流體的運(yùn)動。

這項技術(shù)的一個特別重要應(yīng)用是研究電池材料的循環(huán)。顯然，不能把AA電池放在這里，但可以在這個非常小的液體電池里裝上重要的材料，然后你可以來回循環(huán)它，然后問，如果我充電和放電10次，會發(fā)生什么？它不再像以前那樣工作了——它怎么會出故障呢？在液體電池中可以觀察到某種故障分析和充放電的所有中間階段。顯微鏡實驗可以看到反應(yīng)的每一個步驟，這給了研究人員更好的機(jī)會去理解正在發(fā)生的事情。

Moiré模式，完美的金三角

Reidy對如何控制金在石墨烯、二硒化鎢和二硫化鉬等二維材料上的生長感興趣。當(dāng)將金沉積在“臟”的石墨烯上時，金塊聚集在雜質(zhì)周圍。但是當(dāng)Reidy在石墨烯上生長金子時，石墨烯被加熱并清除了雜質(zhì)，從而發(fā)現(xiàn)了完美的金三角。在清潔石墨烯的頂部和底部沉積黃金，Reidy在顯微鏡中看到了稱為Moiré模式的特征，這些特征是在重疊的晶體結(jié)構(gòu)不對齊時產(chǎn)生。金三角可以用作光子和等離子體結(jié)構(gòu)，這可能對很多應(yīng)用程序都很重要，我們總是很有趣地看到發(fā)生了什么。

研究人員計劃擴(kuò)展清潔的生長方法，在具有不同旋轉(zhuǎn)角的堆疊2D材料和其他混合層結(jié)構(gòu)上形成3D金屬晶體，Reidy感興趣的是石墨烯和六方氮化硼(HBN)的性質(zhì)，以及兩種以二維單層形式進(jìn)行半導(dǎo)體的材料，即二硫化鉬(MoS2)和二硒化鎢(WSe2)。在2D材料中非常有趣的一個方面是2D材料和3-D金屬之間的聯(lián)系。如果想制造半導(dǎo)體器件或含石墨烯的器件，接觸可以是石墨烯外殼的歐姆接觸或半導(dǎo)體外殼的肖特基接觸，而這些材料之間的界面非常重要。你也可以想象設(shè)備使用石墨烯，就像兩種其他材料之間的間隔層一樣。

對于設(shè)備制造商來說，有時重要的是讓3D材料生長，使其原子排列與下面2D層中的原子排列完全一致，這就是所謂的外延生長。在描述石墨烯上金和銀一起生長的圖像時，發(fā)現(xiàn)銀不是外延生長的，它不會在石墨烯上形成想要制造的完美單晶，而是首先沉積黃金，然后在周圍沉積銀，幾乎可以迫使銀變成外延形狀，因為它想要符合其金鄰居正在做的事情。電子顯微鏡圖像也可以顯示晶體中的不完美，如漣漪或彎曲。電子顯微鏡強(qiáng)大之一是它對原子排列的變化非常敏感，如有一個完美的晶體，它看起來都是一樣的灰色，但是如果在結(jié)構(gòu)上有一個局部的變化，甚至是一個細(xì)微的變化，電子顯微鏡可以檢測到它。

即使變化只是在原子的頂部幾層內(nèi)，而不會影響到下面的其他材料，圖像也會顯示出獨特的特征，從而能夠弄清楚發(fā)生了什么。Reidy還在探索將鈮(一種在低溫下超導(dǎo)的金屬)與2D拓?fù)浣^緣體碲化鉍相結(jié)合的可能性，拓?fù)浣^緣子具有迷人的性質(zhì)，其發(fā)現(xiàn)還獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。如果在碲化鉍上沉積鈮，具有非常好的界面，就可以制作超導(dǎo)結(jié)。科學(xué)家一直在研究鈮沉積，看到的不是三角形，而是更像樹枝狀的結(jié)構(gòu)。樹枝狀結(jié)構(gòu)看起來像冬天窗戶內(nèi)部形成的霜狀圖案，或者一些蕨類植物的羽狀圖案。

在鈮的沉積過程中改變溫度和其他條件可以改變材料所采用的模式。所有研究人員都渴望新的電子顯微鏡到達(dá)MIT.nano，以進(jìn)一步了解這些材料的行為。nano的Osherov注意到兩個低溫透射電子顯微鏡(cryo-TEM)已經(jīng)安裝并運(yùn)行。目標(biāo)是建立一個獨特以顯微鏡為中心的社區(qū)。鼓勵并希望促進(jìn)cryo-EM研究人員之間的交叉研究，主要專注于生物應(yīng)用和‘軟’材料。約翰·奇普曼材料科學(xué)和工程副教授詹姆斯·M·勒博(James M.LeBeau)最新增加具有增強(qiáng)分析能力的掃描透射電子顯微鏡(超高能量分辨率單色器、4-D STEM探測器、Super-X EDS探測器、斷層攝影術(shù)和幾個原位支架)一旦安裝，將大大增強(qiáng)顯微鏡能力。

博科園｜研究/來自：麻省理工學(xué)院

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