UMBC 的物理学助理教授 Can Ataca 解释说，新的二维材料具有改变技术的潜力，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层原子组成。事实上，它们非常薄，一千万个它们的堆叠只有 1 毫米厚。有时，阿塔卡说，少即是多。一些二维材料比更厚的类似材料更有效和高效。
然而，尽管有它们的优势，二维材料目前制造起来既困难又昂贵。这意味着试图创造它们的科学家需要谨慎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 Ataca 为这些科学家提供了在该领域进行高影响力研究所需的信息。他们的理论工作提供了关于哪些新材料可能具有适用于一系列应用的理想特性并且可以在自然界中以稳定形式存在的可靠信息。在ACS Applied Materials and Interfaces最近发表的一篇论文中，他们使用尖端的计算机建模技术来预测尚未在现实生活中制造的二维材料的特性。
“我们通常试图比实验者领先五年左右，”Wines 说。这样，他们就可以避免陷入昂贵的死胡同。“这是他们可以专注于其他事情的时间、精力和金钱。”
完美的组合
这篇新论文侧重于称为 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 族元素的混合物，包括铝、镓、铟和硼。
科学家们已经小批量制造了其中的一些二维材料。然而，Wines 和 Ataca 并没有研究第一种 III 族元素与氮的混合物，而是模拟了合金——包括氮和两种不同的 III 族元素的混合物。例如，他们预测了主要由铝制成的材料的特性，但添加了一些镓，或者主要是镓，但添加了一些铟。
这些“中间”材料可能具有在某些应用中有用的中间特性。“通过这种合金化，我们可以说，我有橙色光，但我有可以吸收红光和黄光的材料，”阿塔卡说。“那么我该如何混合它才能吸收橙色光呢?” 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。如果一种材料可以在一侧冷而另一侧热时发电，则该材料具有热电能力。基本的 III 族氮化物具有热电性能，“但在某些浓度下，合金的热电性能优于基本的 III 族氮化物，”Ataca 说。
Wines 补充道，“这是进行合金化的主要动机——特性的可调性。”
他们还表明，并非所有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不稳定。然而，五种不同比例的镓铝混合物是稳定的。
一旦基本 III 族氮化物的生产变得更加可靠并扩大规模，Wines 和 Ataca 预计科学家们将利用他们的结果作为指导，致力于为特定应用设计材料。
回归基础……使用超级计算机
Wines 和 Ataca 使用超级计算机模拟了材料的特性。Ataca 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属性。所以好的部分是我们没有任何实验偏差。” “我们正在研究以前没有任何实验证据的东西。所以这是一种值得信赖的方法。”
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。以最高精度运行他们的模型可能需要几天时间。
“这有点像在讲故事，”Wines 说。“我们通过最基本的层面来筛选材料”，只需要大约一个小时。“然后我们使用最强大的计算机，达到最高的准确度，尽可能找到最准确的参数。”
“我认为这些研究的美妙之处在于我们从基础开始，我们确实达到了我们领域中最准确的水平，”Ataca 补充道。“但我们总是可以要求更多。”
一个新的领域
他们继续前进到未知的科学领域。在另一篇论文中，物理学教授 Theodosia Gougousi在第一篇发表于ACS Applied Materials and Interfaces的一周内;Jaron Kropp，博士 '20，物理学;Ataca 展示了一种将二维材料集成到真实设备中的方法。
二维材料通常需要连接到设备内的电子电路上。需要一个中间层来建立这种连接——团队找到了一个有效的层。“我们有一种分子可以做到这一点，可以与材料建立连接，以便将其用于外部电路应用，”Ataca 说。
这一结果对于二维材料的实施来说意义重大。“这项工作将二维原子晶体表面发生过程的基础实验研究与系统的详细计算评估相结合，”古古斯说。“它为设备社区提供了指导，使他们能够成功地将新材料集成到传统设备架构中。”
跨学科合作
这项工作的理论分析发生在 Ataca 的实验室，实验发生在 Gougousi 的实验室。克罗普在这两个小组都工作过。
“该项目体现了科学技术发展和进步所需的协同作用，”古古斯说。“这也是我们的研究生有机会研究具有重大技术兴趣的问题，并发展广泛的知识基础和独特的技术技能的一个很好的例子。”
Kropp 是第二篇论文的第一作者，他很高兴有这样的研究经历。
“二维半导体令人兴奋，因为它们非常薄，因此具有在非传统电子设备(如可穿戴或柔性电子设备)中应用的潜力，”他说。“我很幸运有两位优秀的导师，因为这让我能够将实验和理论工作无缝结合。我希望这项工作的结果可以帮助其他研究人员开发基于二维材料的新设备。”