一个研究团队创建了一种创新方式来观察材料在原子尺度上的变化。这项新技术为更好地理解和创造适合量子计算和电子学的复杂材料铺平了道路。
来自能源部下属的橡树岭国家实验室的一个研究团队创造了一种创新方式来观察材料在原子尺度上的变化。这项新技术为更好地理解和创造适合量子计算和电子学的复杂材料铺平了道路。
新开发的技术名为快速物体检测和动作系统（RODAS），它融合了成像、光谱和显微镜方法。它捕捉到临时原子结构形成过程中的特性，为材料属性在原子级别上的变化提供了非凡的洞见。
之前将扫描透射电子显微镜（STEM）与电子能量损失光谱（EELS）结合的方法存在局限，因为电子束可能会改变或损坏被研究的材料。因此，科学家们经常测量到修饰后的状态，而不是材料的实际特性。RODAS解决了这个问题，集成了能够动态计算机视觉成像的系统，并采用实时机器学习。
在其分析中，RODAS仅关注感兴趣的区域。这使得分析可以在几秒或几毫秒内迅速完成，而与其他STEM-EELS技术有时需要的分钟时间形成对比。重要的是，RODAS提取重要信息而不会损害样本。
每种材料都包含缺陷，这些缺陷会极大地影响各种属性，包括电子、机械或量子特性。缺陷可以在原子级别以多种方式排布，无论是自然存在还是响应外部力量，如电子束曝光。不幸的是，这些缺陷排列的局部特性并不被很好地理解。虽然STEM方法可以在实验上观察到这样的配置，但在不改变这些配置的情况下研究特定排列却相当具有挑战性。
“掌握缺陷配置是推动下一代材料发展的关键，”来自ORNL纳米相材料科学中心的研究主作者凯文·罗卡普里奥雷表示。“通过了解这些知识，我们可以有意地设计特定的排列以实现所需特性。这一研究领域与观察和分析不同，但代表了一条对未来发展可能产生影响的路径。”
实现量子材料的潜力
研究团队将他们的技术应用于单层二硫化钼，这是一种用于量子计算和光学应用的有前景的半导体。二硫化钼特别引人注目，因为它能从被称为单硫空位的缺陷中发射单个光子。在这种情况下，单硫空位表示其蜂窝状晶格结构中缺少一个硫原子，这意味着原子的排列。这些空位可以聚集在一起，产生独特的电子特性，使二硫化钼在前沿技术应用中具有优势。
通过研究二硫化钼和类似的单层材料，科学家们旨在解决与原子级光学和电子特性有关的关键问题。
材料科学的新篇章
RODAS技术标志着材料表征的重大进展。它使研究人员能够动态调查结构与性质之间的关系，专注于特定原子或缺陷进行形成中的测量，高效收集多种缺陷数据，自适应实时识别新的原子或缺陷类别，并在保持详细分析的同时最小化对样本的损害。
利用这项技术研究掺钒的二硫化钼单层材料，研究团队进一步了解了其在电子束辐射下缺陷形成和演变的过程。这种方法允许在动态状态下探索和表征材料，为材料如何响应不同刺激提供更深入的见解。
“材料科学中的技术，如先进的电子显微镜，继续拓宽我们对物理世界的理解，而像RODAS这样的系统可能会显著加速发现和创新，”罗卡普里奥雷说。“在原子级别实时观察和分析材料的能力有望拓展计算、电子学等领域的极限，最终促进变革性技术的创造。”
本研究得到了ORNL实验室领导的研究与开发计划的支持，作为其互联科学生态系统（INTERSECT）倡议的一部分。STEM实验得到了能源部科学办公室基础能源科学、材料科学与工程部门的支持，并在ORNL的纳米相材料科学中心进行。此外，这项工作是华盛顿大学能源前沿研究中心的跨尺度合成科学中心的一部分，得到了能源部科学办公室基础能源科学的支持。
