一支国际研究团队开发了一种开创性的方法，用于检测和分析六方氮化硼（hBN）中的原子级缺陷，这是一种二维（2D）材料，因其卓越特性而常被称为“白石墨”。这一创新可能加速下一代电子设备和量子技术的发展。
由纽约大学坦顿工程学院和韩国高等科学技术院（KAIST）领导的全球研究团队创造了一种新方法，用于识别和调查六方氮化硼（hBN）中的原子级缺陷，这种2D材料因其非凡特性而被称为“白石墨”。
这一突破可能加快尖端电子和量子技术的发展。
研究人员找到了一种方法来检测在hBN晶体中替代硼原子的单个碳原子。这个成就得益于在特殊设计的晶体管中测量电子“噪声”，就像在宁静的环境中听到微弱的耳语一样。
ACS Nano选择了这项研究作为其2024年10月22日刊的封面文章。
这项研究的通信作者之一、论文的共同作者大武·沙赫尔杰迪表示：“在这个项目中，我们本质上为二维材料创造了一种听诊器。通过检查电流中微小且一致的波动，我们可以‘检测’单个原子缺陷的行为。”
沙赫尔杰迪担任纽约大学坦顿电气和计算机工程系的副教授，是纽约大学无线研究中心（NYU WIRELESS）的成员，并主持于2023年启动的纽约大学纳米制造净化室（NanoFab）。金勇勋是KAIST的电气工程教授。沙赫尔杰迪和金勇勋还在纽约大学- KAIST全球创新与研究所任职，领导纽约大学- KAIST下一代半导体设备与芯片研究小组内的项目。
纽约大学- KAIST合作关系于2022年9月在纽约大学正式建立，由韩国总统揭幕。这一重要联盟结合了两所机构的独特优势，以促进研究与教育的进展，目前吸引了来自每所学校的200多名教职员工参与。
单晶hBN已成为科学讨论中的热门材料，具有颠覆从非常规电子学到量子技术等多个领域的潜力。
hBN的超薄特性及卓越的绝缘性能使其成为支撑无法通过传统材料实现的独特物理现象的良好介质。然而，hBN中的原子缺陷可能会影响其电子特性，有时在量子技术应用中可能会发挥有利作用。
纽约大学团队通过将几层薄的二硫化钼（另一种2D半导体）放置在hBN的层之间构建了一个晶体管。通过将该设备冷却到低温并施加特定的电压，他们能够观察到流经晶体管的电流中的明显波动。
这些波动被称为随机电报信号（RTS），当电子被hBN中的缺陷暂时捕获并释放时就会发生。通过对这些信号在不同温度和电压下进行细致分析，研究人员能够识别缺陷的能级和具体位置。
论文的首席作者黄逐军表示：“这就像拥有一种能够‘可视化’单个原子的显微镜，但我们利用的是电力而不是光线。”当时黄逐军是纽约大学坦顿电气和计算机工程的博士生。
KAIST团队随后采用复杂的计算机模拟更好地理解实验发现的原子起源。这一实验与理论分析的结合显示，缺陷由位于hBN晶体框架中理应由硼原子占据的位置的碳原子构成。
沙赫尔杰迪和金勇勋解释说：“深入了解和控制二维材料中的缺陷可能对电子和量子技术的未来产生重大影响。例如，我们可能能够开发出更完美的量子材料平台，以发现新的物理现象或适用于安全通信的单光子发射器。”
