科学家首次直接观察2D材料的生长过程

地球上最薄的结构之一：“二维材料”是由一层或几层原子组成的晶体。它们通常表现出不寻常的特性，有望在光电和能源技术中有许多新的应用。这些材料中有一种由钼和硫原子组成的一层原子薄的2D硫化钼。

这种超薄晶体的生产是困难的。结晶过程受许多不同因素影响。过去，不同的技术产生了不同的结果，但其原因无法准确解释。由于TU Wien、维也纳大学和Styria Joanneum研究所的研究小组开发的新方法，现在首次可以在电子显微镜下直接观察结晶过程。

首先，原子是随机分布的，在用电子束操纵后，它们形成晶体结构（右）。
（图片来源：TU Wien）

该方法已在《ACS Nano》科学期刊上发表(论文题目为《二维MoS 2薄膜中结晶和重构过程的原子尺度原位观测》)。

从气体到晶体

这项研究的主要作者、TU Wien材料化学研究所的Bernhard C. Bayer说：“硫化钼可以用于透明且灵活的太阳能电池中，也可以用于可持续地产生氢以储存能源。然而，要做到这一点，就必须在可控的条件下生长高质量的晶体。”

通常，这是通过从气态原子开始，然后以一种随机和非结构化的方式将它们凝聚在一个表面上来完成的。在第二步中，原子以规则的晶体形式排列。比如，通过加热的方式。Bayer 说：“然而，结晶过程中的各种化学反应仍不清楚，因此很难开发出更好的2D材料生产方法。”

然而，由于有了这种新的方法，现在应该能够准确地研究结晶过程的细节。Bayer 补充说：“这意味着不再需要反复试验，由于对这些过程有了更深入的了解，我们可以肯定地说，如何获得所需的产品。”

石墨烯为基底

首先，钼和硫被随机放置在石墨烯膜上。石墨烯可能是2D材料中最著名的一种晶体，其厚度只是一个碳原子层厚，该原子层排列在蜂窝格子中。在电子显微镜下，用精细的电子束操纵随机排列的钼和硫原子。可以同时使用相同的电子束来对该过程进行成像并开始结晶过程。

通过这种方式，现在可以第一次直接观察在只有两个原子层厚度的材料生长过程中原子如何移动和重新排列。

Bayer说：“在这个过程中，我们可以看到，热力学最稳定的配置并不一定总是必须是最终状态，不同的晶体排列相互竞争，相互转化并相互替换。因此，现在很清楚为什么早期的调查会产生如此不同的结果。我们正在处理一个复杂，动态的过程。”

新的调查结果将有助于更准确地调整2D材料的结构，使其更准确地适应未来的应用需求，因为它将有针对性地干扰重新排列过程。

文章来源于nanowerk，由材料新闻在线团队编译，原文题目Watching 2D materials grow。