这项研究为有前途的二维材料提供了答案

二维层状材料在许多应用中具有广阔的前景，如下一代逻辑和存储器件以及柔性储能器件的替代平台。然而，关于他们还有很多未知。机械工程和材料科学副教授卡罗尔和道格拉斯梅拉梅德以及耶鲁大学西校区能源科学研究所成员朱迪查实验室的两项研究回答了关于这些材料的一些关键问题。这两项研究都是由陆军研究办公室(ARO)资助的，该办公室是美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的一部分，已于《先进电子材料》年出版。

在一篇论文中，Cha和她的研究团队与耶鲁大学的化学教授Nilay Hazari和合作，通过实验测量了小分子在二维材料上的精确掺杂效应，这是朝着定制分子以调整电学性质迈出的第一步。二维材料。在这样做的过程中，他们还获得了非常高的掺杂浓度。

掺杂——，比如在硅中加入硼或磷等杂质，对于发展半导体非常重要。它允许调整载流子密度——电子和其他电荷载流子——的数量以产生功能器件。然而，传统的掺杂方法往往消耗太多能量，可能对二维材料造成损伤。

相反，由于二维材料几乎都是表面，研究人员可以将称为有机电子给体(OED)的小分子分散在表面，激活二维材料，即产生表面功能化。由于有机化学，这种方法非常有效。也大大拓宽了所用材料的选择范围。在本研究中，Cha使用了二硫化钼(MoS 2)。

然而，为了进一步优化这些材料，研究人员需要更高的精度。他们需要知道OED的每个分子为二维材料提供了多少电子，总共需要多少分子。

“通过这样做，我们可以继续正确设计，知道如何调整分子，然后增加载流子密度，”查说。

为了这次校准，查和她的团队使用了耶鲁大学西校区成像中心的原子力显微镜。对于他们的材料，他们实现了大约每个分子一个电子的掺杂效率，这使得他们能够证明在二硫化钼中实现的最高掺杂水平。这只有通过精确的测量才有可能。

“现在我们知道了兴奋剂的含量，我们不再处于一个不知道自己在哪里的黑暗空间，”她说。“过去，我们可以兴奋剂，但我们不知道兴奋剂的效果。现在我们有了一些我们想要实现的目标电子密度，我们觉得我们知道如何实现我们的目标。”

在第二篇论文中，查的团队研究了机械应变对锂离子电池锂分选的影响。

目前商用锂离子电池使用石墨作为阳极。当锂被插入构成石墨的石墨烯层之间的间隙时，该间隙需要扩大以给锂原子腾出空间。

“所以我们问，‘如果你停止扩张呢？’”说。我们发现局部应变影响锂离子的有序性。锂离子有效减缓速度。"

当应变能存在时，锂不能像以前那样自由运动，需要更多的能量来迫使锂进入其首选构型。

通过计算应变能的确切影响，Cha的研究团队可以准确证明锂原子减速的程度。

这项研究具有更广泛的意义，尤其是如果研究领域从锂电池转移到由其他更容易获得的材料(如钠或镁)制成的锂电池，这些材料也可以用于可充电电池。

“钠和镁比锂大得多，所以与锂相比，差距需要扩大得多，所以应变的影响将更加显著，”她说。研究中的实验提供了对机械应变对这些其他材料的可能影响的类似理解。

的研究人员表示，查的研究将非常有助于推进自己的工作。

ARO分部的负责人帕尼瓦拉纳西博士说：“这两项与新的二维材料有关的研究结果对于未来在军队中发展传感和能量存储的先进应用具有重要意义。”。