來(lái)自美國賓夕法尼亞州立大學(xué)物理系及二維材料和層狀材料研究中心（2DLM）的技術(shù)人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種可用于快速分析二維材料中缺陷的無(wú)損光學(xué)檢測方法。并且這一研究成果已于4月28日發(fā)表在《Science Advances》期刊上。

目前為止，材料學(xué)領(lǐng)域內有一個(gè)眾所周知的常識：當某一材料薄到只有一個(gè)原子厚度的時(shí)候，該材料的物理性能與其宏觀(guān)狀態(tài)相比將發(fā)生巨大的變化。石墨烯，就是二維材料里面最著(zhù)名的一種，它是從石墨材料中剝離出來(lái)，由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，與其宏觀(guān)狀態(tài)的石墨相比，石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能和導電性能。

除了石墨烯，研究人員也已經(jīng)開(kāi)始研究上百種其它二維材料，來(lái)充分開(kāi)發(fā)它們的應用，例如在電子電氣、傳感器、早期癌癥診斷以及海水淡化等眾多領(lǐng)域。“在半導體領(lǐng)域內，缺陷是非常重要的，因為研究人員可以通過(guò)缺陷控制材料的性能”，來(lái)自賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的Mauricio Terrones教授說(shuō)道：“這被稱(chēng)之為缺陷工程，行業(yè)專(zhuān)家們深知如何有效控制缺陷以及哪種類(lèi)型的缺陷對體系有利等”。
 
為了真正地了解二維材料，例如二硫化鎢（該材料具有類(lèi)似三明治結構，單個(gè)原子厚度的鎢原子被夾在兩個(gè)硫原子之間），往往需要大功率的顯微鏡才能看到單個(gè)原子以及一些空洞，這些空穴也即是原子缺失的地方。
 
“透射電子顯微鏡（TEM）的優(yōu)勢在于你可以獲取你想要的圖像，并且能夠直接看到發(fā)生了什么——你可以獲取最直接的信息”。來(lái)自賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所的在職科學(xué)家，同時(shí)也是透射電子顯微鏡方面的專(zhuān)家Bernd Kabius說(shuō)道。
 
Kabius也坦言，該方法的缺點(diǎn)是可能會(huì )損害一些精細的二維材料、樣品需要進(jìn)行較為復雜的準備處理工作、需要耗費不少時(shí)間——儀器可能需要花費一整天的時(shí)間只得到一個(gè)樣品的圖像，對于圖像結果的解釋和理解則需要花費一周甚至更久的時(shí)間?？紤]到這些原因以及其他一些未提及的原因，研究人員希望能夠將透射電子顯微鏡技術(shù)與一種觀(guān)察樣品更簡(jiǎn)單、快捷的方法相結合起來(lái)。
 
由Terrones領(lǐng)導的研究小組研發(fā)的這種新技術(shù)采用的是一種光學(xué)方法——熒光顯微鏡檢查技術(shù)，其原理是：將具有特定波長(cháng)的激光照射在樣品上并激發(fā)電子，將電子推到一個(gè)更高的能級，每發(fā)出一個(gè)具有更長(cháng)波長(cháng)的光子時(shí)，電子就會(huì )降低到一個(gè)較低的能級上。光的波長(cháng)或顏色可以通過(guò)光譜測量，并提供關(guān)于樣品上的缺陷類(lèi)型和位置等信息。該數據在譜圖上會(huì )以峰的形式顯示出來(lái)，然后可以與透射電子顯微鏡的視覺(jué)觀(guān)察相關(guān)聯(lián)。理論計算也有助于驗證光學(xué)結果。
 
該過(guò)程中有一個(gè)必需的步驟是需要將樣品放置在溫度受控的樣品架或平臺中，并將溫度降低至77開(kāi)爾文，約零下200攝氏度。在這個(gè)溫度下，產(chǎn)生熒光的電子-空穴對會(huì )與缺陷結合。在這種情況下，以二硫化鎢為例，三明治結構頂層的一組硫原子空位會(huì )發(fā)出比材料原始區更強的信號。
 
Terrones實(shí)驗室前博士后研究員Victor Carozo表示：“我們第一次在二維材料中建立了光學(xué)響應與原子缺陷量之間的直接關(guān)系”。
 
Terrones補充道：“對于半導體行業(yè)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)能夠快速進(jìn)行測量，可用于評估二維材料體系內缺陷的光學(xué)非破壞性無(wú)損檢測方法，更重要的是我們可以將這種光學(xué)方法與透射電子顯微鏡技術(shù)和原子模擬相關(guān)聯(lián)起來(lái)，我個(gè)人認為這種方法將非常有助于建立一套完善的二維晶體材料的表征方案”。
 
關(guān)于這點(diǎn)，來(lái)自二維材料和層狀材料研究中心的博士后研究員和理論家Yuanxi Wang解釋說(shuō)：“我們的計算表明，被空位俘獲的電子發(fā)射的光不同于無(wú)缺陷區域發(fā)射的光，在這些區域所發(fā)出的光，根據波長(cháng)可以輕松識別樣品中的空位信息”。
 
賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系的杰出教授Vincent Crespi說(shuō)：“我們不僅可以確定一些缺陷的存在和修飾后的光發(fā)射之間的經(jīng)驗相關(guān)性，而且還可以通過(guò)原理計算確定存在這些相關(guān)性的原因”。
 
該技術(shù)將可以在許多方面取得應用，包括具有選擇性孔徑的膜在海水淡化方面的應用、進(jìn)行DNA測序、氣體分子與特定空位結合時(shí)的氣體檢測以及摻雜了外來(lái)原子以增強物理性能的二維材料的檢測等。
 
 
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來(lái)源：賓夕法尼亞州立大學(xué)
譯者：Vince
譯自：phys.org