原子厚度新资料结网捕捉图像潜在的力量宏大,有比非常大恐怕带来越来越好的超声成像和声

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内容摘要:莱斯大学材料学科学家普利克尔·阿加延实验室的研究生雷思东合成了CIS,一种单层铜、铟和硒原子矩阵。这或可能是目前最薄的成像平台。

如果感应物体的传感器可能是物体本身的一部分怎么办?莱斯大学的工程师相信他们有一个二维解决方案来做到这一点。由材料科学家Pulickel
Ajayan和Jun
Lou领导的稻米工程师已经开发出一种方法,可以使原子平面传感器与设备无缝集成,以报告他们所感知的内容。

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照片来源:iStockphoto

北京时间12月22日消息,美国莱斯大学研发的一个原子级薄的材料,这或可能导致研发目前最薄的成像平台。基于金属硫族化合物的合成二维材料可能是超薄设备的基础,莱斯大学的研究人员这样表示。其中一个这样的材料二硫化钼,因其检测光的特性而被广泛研究,但是铜铟硒化物也表现出同样非凡的潜力。

自从2004年引入石墨烯以来,电子活性二维材料已成为许多研究的主题。尽管它们经常被吹捧为它们的强度,但它们很难在不破坏它们的情况下移动到需要它们的地方。Ajayan和Lou团队以及Rice工程师Jacob
Robinson的实验室,有一种新方法可以保持材料及其相关电路在弯曲或其他光滑表面移动时保持完整。

压电晶体是用以检测振动的多种传感器的关键组分,可以在水下声纳和医学超声成像系统中找到它们。根据西安交通大学的一个研究团队的说法,通过添加微量的稀土元素,这些晶体的性能可以显著提高。

莱斯大学材料学科学家普利克尔·阿加延实验室的研究生雷思东合成了cis,一种单层铜、铟和硒原子矩阵。雷还建立了一个模型——一个三像素电荷耦合器件——以证明材料捕捉图像的能力。这项研究被发表在美国化学协会的期刊《纳米快报》上。

他们的工作成果出现在美国化学学会杂志ACS
Nano上。莱斯团队通过制作一个10纳米厚的硒化铟光电探测器和金电极并将其放置在光纤上来测试这一概念。因为它非常接近,所以近场传感器有效地耦合了消逝场

压电材料可以将机械振动转化为电信号,反之亦然。目前,最先进的压电器件通常使用一种称为PMN-PT的钙钛矿氧化物晶体,在效率方面它优于其他常见压电材料三倍左右。然而,研究人员表示,尽管进行了大量的研究,但在过去20年里,在改善这些晶体性能方面的进展一直很缓慢。

雷表示这种光电子记忆材料可能是捕捉图像的二维电子元件的重要组成部分。“传统的电荷耦合器件厚重且坚硬,将它们与二维元素相结合是没有意义的。”雷解释道。“而基于铜铟硒化物的电荷耦合器件非常薄、透明和灵活,这正是二维成像器件所缺失的。”

  • 振荡的电磁波穿过光纤表面 –
    并准确地检测到内部信息的流动。这样做的好处是,这些传感器现在可以嵌入到这样的光纤中,它们可以在不增加重量或阻碍信号流的情况下监控性能。“本文提出了在实际应用中应用2D设备的几种有趣的可能性,”Lou说。“例如,海底的光纤长达数千英里,如果出现问题,很难知道它发生在哪里。如果你将这些传感器放在不同的位置,你就可以感受到光纤的损坏。

现在,科学家们已经发现,在PMN-PT中加入相对少量的钐——约每一千个母体晶体原子中加入一个钐原子——可以大大提高其性能。他们说,普通的PMN-PT晶体每牛顿力能产生约1200到2500皮库伦的电荷,但这种新的掺杂晶体每牛顿能产生3400到4100皮库伦的电荷。

当光照射到材料上,这一器件可以围困形成的原子,并一直保留它们直到它们被释放用于存储目的。铜铟硒化物对光高度敏感,因为被围困的电子会缓慢消散,莱斯大学材料科学和纳米工程学院的研究员罗伯特·沃伊塔伊这样解释道。“感知光的二维材料有很多,但没有一种能够如此高效。这种新材料比我们之前见过最好的材料高效10倍。”

Lou说,实验室已经擅长将不断增加的二维材料表从一个表面转移到另一个表面,但添加电极和其他组件使这一过程变得复杂。“想想一个晶体管,”他说。“它的顶部有源极,漏极和栅极以及电介质,所有这些都必须完好无损地传输。这是一个非常大的挑战,因为所有这些材料都是不同的。”

研究人员发现,钐原子使PMN-NT的有序晶体结构在原子和纳米尺度上变得更加不均匀。这进而破坏了其偶极矩——材料中电荷极化的点——的有序排列。这项研究的主要作者李飞教授说,这种破坏使晶体“对施加的电场更加敏感,反应更灵敏,从而导致高压电性”。

由于这种材料是透明的,基于铜铟硒化物的扫描仪可以从一面利用光照亮图片,而另一边用于捕捉图片。在医疗方面的应用,雷设想铜铟硒化物可以用于小型生物成像器件,通过与其它二维电子元件相结合,从而进行实时监测。

原始2D材料通常在顶部用一层聚甲基丙烯酸甲酯移动,而Rice研究人员使用该技术。但是他们需要一个坚固的底层,不仅可以在移动过程中保持电路完好无损,而且在将设备连接到目标之前也可以将其移除。

科学家们还发现,钐掺杂可以抵消晶体生长过程中电学性质的变化,从而使整个晶体的压电性能更加均匀。他们指出,掺杂还导致可以产生出更大的晶体,这可能有助于降低生产成本和减少浪费。

在这项最新研究的实验里,雷与同事培养了合成的铜铟硒化物晶体,他们从晶体里抽取了单层,然而测试单层捕捉光的能力。这一铜铟硒化物单层厚度大约为2纳米,包含9个原子厚的晶格。这一材料也可以通过化学气相沉积(chemical
vapor deposition)的方法培养,产生的晶体大小将受到熔炉大小的限制。

理想的解决方案是聚二甲基戊二酰亚胺,它可以用作器件制造平台,在转移到靶材之前很容易被蚀刻掉。“我们花了相当长的时间来开发这种牺牲层,”Lou说。PMGI似乎适用于任何2D材料,因为研究人员也成功地用二硒化钼和其他材料进行了实验。到目前为止,莱斯实验室只开发了无源传感器,但研究人员相信他们的技术将使有源传感器或设备成为电信,生物传感,等离子体和其他应用的可能。

研究人员表示,他们的工作有望带来分辨率、灵敏度和效率更高的医学成像设备以及可用于各种工业应用的更强大的压电执行器。他们的研究成果发表在了在4月19日的Science上,文章标题为“Giant
piezoelectricity of Sm-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 single
crystals”。这一研究是西安交大研究团队与美国宾夕法尼亚州立大学、澳大利亚伍伦贡大学、美国北卡州立大学等单位合作开展的。

由于铜铟硒化物是灵活的,它还能弯曲以匹配成像透镜系统的焦面。雷表示这将支持对像差的实时纠正以及极大的简化整个光学系统。这项研究的其它合作作者还包括莱斯大学研究生温芳芳和龚勇吉;博士后研究员李博、安东尼·乔治和葛烈辉;本科生王琦中、詹姆斯·贝拉和黄一瀚;以及一些补充人员,包括来自中国兰州大学的何永敏、科学与纳米工程的助理教授娄军、电子和计算机工程系斯坦利c.穆尔教授、化学、生物医学工程、物理学和天文学教授、材料科学和纳米工程学院的内奥米·哈拉斯。阿加延是莱斯大学本杰明m和玛丽格林伍德安德森研究机械工程和材料科学教授、材料科学与纳米工程教授兼院长和化学系教授。

水稻研究生泽泽金是该论文的第一作者。合着者是赖斯研究生范晔,帅佳,梁良亮和博士后研究员张翔;赖斯校友现任佐治亚州立大学助理教授的Sidong
Lei和赖斯材料科学与纳米工程研究教授Robert
Vajtai。Ajayan是Rice的材料科学和纳米工程系主任,Benjamin M.和Mary
Greenwood
Anderson工程学教授和化学教授。Lou是材料科学和纳米工程的教授。罗宾逊是电气和计算机工程的助理教授。该研究得到了空军科学研究办公室,韦尔奇基金会,赖斯IDEA和功能加速纳米材料工程的支持,该工程是由微电子高级研究公司和国防先进公司赞助的半导体技术高级研究网络的六个中心之一。研究项目机构。

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这项研究得到了陆军研究办公室多学科大学研究倡议、半导体技术先进研究网络功能加速纳米材料工程分部、微电子先进研究协会、国防高级研究计划局、荷兰科学研究组织、罗伯特a.韦尔奇基金会、国家安全科学与工程学院奖学金和海军研究办公室的资金支持。

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