堆叠一副纸牌的纳米级等价物——将只有几个原子厚的材料层叠在一起——已成为全世界材料科学家和电气工程师最喜欢的消遣方式。正如卡片的花色和价值不同，这些原子级薄的二维材料的特性也可能不同：电子、磁性、光学或任何其他方式。就像组合正确的卡片可以产生有价值的牌一样，正确组合 2D 材料可以产生具有技术价值的结果。
内布拉斯加大学林肯分校的 Alexei Gruverman、Alex Sinitskii 和他的同事们现在已经证明，一种特殊的 2D 材料，已经被认为是一张人脸卡，实际上在洞中被列为王牌。
该材料是二硫化钼，或 MoS 2。与来自卢森堡、中国和法国的合作伙伴一起，Husker 的研究人员表明，MoS 2具有长期理论化的特性，可以帮助计算机、电话和其他微电子设备节省电力及其确切的电气状态，即使在关闭后也是如此。
MoS 2的省电、省电承诺来自一种珍贵但不常见的特性，即铁电性。只需施加一些电压，铁电材料中负电荷与正电荷的垂直分离和排列就可以瞬间翻转。那些相反对齐或极化的状态可以被读取或存储为二进制数据的 1 和 0，即使电源被切断，这些状态也会保持不变。
电压可以翻转极化并编码相应的 1 或 0，同时消耗的能量远低于通常用于编码数字数据的磁场，这使设置后忘记它的优势更加复杂。总的来说，这些优势使铁电材料成为未来更加依赖微电子的重要参与者。
有理论支持的模拟表明 MoS 2就是这样一种材料。然而，与其他 2D 材料一样，证明它已被证明非常困难。但是，通过用同时用电场激发材料的纳米针刺激二硫化钼薄片，Husker 领导的团队成功地证实了 MoS 2实际上是铁电体。研究人员说，这种材料的极化状态一次可以保持长达数周，并且在将 MoS 2薄片置于其他几种材料中的任何一种上时进行观察。
“二维材料中的铁电性通常是一种新现象，”内布拉斯加州化学教授 Sinitskii 说。“它是最近才发现的，表现出铁电极化的二维系统的例子仍然非常有限。”
那么，仅铁电性就足以使二硫化钼在二维材料的排名中名列前茅。然而，MoS 2的其他特性吸引了负责构建更好设备的工程师。它相对容易生长，首先是大量生长，然后在透明胶带的帮助下剥离原子薄层。与许多 2D 对应物不同，它在暴露在空气中时能保持良好状态，并且与许多电子元件中的富氧材料配合得很好。
除此之外，它还是硅脉中的一种半导体材料——集成电路或微芯片的长期选择——这意味着可以轻松触发和停止其电流流动。Gruverman 说，这使 MoS 2与大多数铁电体不同。
研究人员表示，在该团队的研究发表在npj 2D Materials and Applications杂志上之后，MoS 2现在加入了少数具有高但可控导电性和易于切换极化的材料。
“一直在努力将半导体和铁电特性结合在一种材料中，因为这将使它成为一种非常强大的材料——如果你愿意的话，它是半导体行业的圣杯，”查尔斯马赫大学物理学教授格鲁弗曼说。天文学。
“我们观察到的结构显然是前所未有的”
材料的原子可以呈现出不同的配置，从而产生不同的特性。这种现象最著名的例子可能是碳，它的范围从柔软的黑色煤块到几乎坚不可摧的透明钻石。
二硫化钼也不例外，每两个硫就含有一个钼原子。在其最稳定的状态下，称为 2H，该材料充当半导体，但实际上缺乏铁电性。但研究小组发现，用一个微小的点刺激 MoS 2会使一些硫原子向上移动，从而改变了这些原子与钼之间的距离。这反过来又改变了原子电子云的分布，最终将半导体 2H 转变为更具导电性的铁电相，称为 1T。”
为了切换 MoS 2的极化，研究人员利用了所谓的挠曲电效应：当材料在机械应力的作用下开始应变时，材料的电学行为发生变化。半个多世纪以来，物理学家已经知道，应变变化越大——也就是说，材料不同区域在应力下变形的差异越大——电极化就越明显。Gruverman 说，较厚的材料往往会经历相当均匀的应变，从而导致极化和编码二进制数据的有用性有限。
像 MoS 2这样的 2D 材料——尤其是用最精细的点刺的材料——是一种截然不同的前景，会产生巨大的应变差异，从而产生巨大的柔性电效应。
“在像 MoS 2这样薄的材料中，这种柔性电效应非常深刻，”Gruverman 说。“重要的是，这种方法可以用作控制铁电体极化状态的非常有效的工具。
“现在我们已经证明，除了电场之外，我们还可以使用机械应力来控制或调整这些异质结构的电子特性。”
该团队还发现了一个可能对 MoS 2有利的惊喜。尽管 Sinitskii 和他的同事制造的薄片实际上是原始的，但该团队偶尔会遇到比他们预期的要弱得多的偏振信号。出于好奇，Sinitskii 有了将薄片翻转过来并再次测量信号的想法，希望能够深入了解本质上 2D 材料的超薄三维空间。
当他们这样做时，研究人员确定薄片包含随机交替的极化层 - 有些顶部带有正电荷，底部带有负电荷，反之亦然。
“我们观察到的结构显然是前所未有的，因为人们之前观察到的二维铁电结构都没有表现出这种铁电畴的排列方式，”Sinitskii 说。
这些随机交替层的存在意味着另一个惊喜。在某些情况下，类似签名的指控会相互对抗——正对正或负对负——而不会像通常预期的那样相互排斥。如何?研究小组怀疑 1T" MoS 2特别高的电导率会促进足够的电荷在这些层之间流动以防止排斥。格鲁弗曼说，层内电流可以通过翻转 MoS 2的极化来控制flakes，提供了另一种超本地化的数据编码方式。
Gruverman 说：“在这些材料层中，一层的极化不关心相邻层的极化状态，这是非常不寻常的。” “通常情况下，这种头对头和尾对尾的配置会非常不利。然而，在这里，这些层似乎对相邻层的偏振状态绝对不敏感。”
但 Sinitskii 说，二硫化钼的全部前景可能只有在材料科学家(现在知道 MoS 2的真正价值)设法在正确的手中发挥作用时才会显现出来。
“这是一个非常热门的话题，”Sinitskii 说。“有很多人真的在打乱这些不同的层并将它们堆叠在一起。现在他们有了另一种二维材料，可以添加到这些堆栈中，使它们更加多样化、更加可编程，最终，更有用。”