二维分层材料在许多应用中具有广阔的前景，例如下一代逻辑和存储设备以及柔性储能设备的替代平台。然而，关于它们，仍有许多未知之处。来自机械工程与材料科学的 Carol 和 Douglas Melamed 副教授以及耶鲁大学西校区能源科学研究所成员 Judy Cha 实验室的两项研究回答了有关这些材料的一些关键问题。这两项研究均由陆军研究办公室 (ARO) 资助，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个组成部分，并已发表在《先进电子材料》上。

在一篇论文中，Cha 和她的研究团队与耶鲁大学化学教授 Nilay Hazari 和 Hailiang Wang 合作，通过实验测量了小分子对二维材料的精确掺杂效应——这是朝着定制分子以调节电性能的第一步。二维材料。在这样做的过程中，他们还实现了非常高的掺杂浓度。

掺杂——例如将硼或磷等杂质添加到硅中——对于开发半导体至关重要。它允许调节载流子密度——电子和其他电荷载流子的数量——以生产功能性器件。然而，传统的掺杂方法往往过于耗能，并且可能对二维材料造成破坏。

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供体 (OED) 的小分子撒在表面上，并激活二维材料，即产生表面功能化。由于有机化学，该方法非常有效。它还极大地拓宽了所用材料的选择范围。在这项研究中，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，以及总共需要多少分子。

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

为了进行这种校准，Cha 和她的团队在耶鲁大学西校区的成像中心使用了原子力显微镜。对于他们的材料，他们实现了每个分子大约一个电子的掺杂效率，这使他们能够证明在 MoS2 中达到的最高掺杂水平。这只有通过进行精确测量才有可能实现。

“现在我们知道了兴奋剂的含量，我们不再处于不知道自己身在何处的黑暗空间，”她说。“以前，我们可以掺杂，但不知道掺杂的效果如何。现在我们有一些想要达到的目标电子密度，我们觉得我们知道如何达到目标。”

在第二篇论文中，Cha 的团队研究了机械应变对锂离子电池中锂的排序的影响。

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

“所以我们问'如果你停止这种扩张怎么办?'”查说。“我们发现局部应变会影响锂离子的排序。锂离子有效地减慢了速度。”

当存在应变能时，锂不能像以前那样自由移动，需要更多的能量来迫使锂进入其首选配置。

通过计算应变能的确切影响，Cha 的研究团队能够精确地证明锂原子减速的程度。

该研究具有更广泛的意义，特别是如果该领域从锂电池转向由其他更容易获得的材料(如钠或镁)制成的锂电池，这些材料也可用于可充电电池。

“钠和镁要大得多，因此与锂相比，差距需要扩大得多，因此应变的影响会更加显着，”她说。研究中的实验提供了对机械应变可能对这些其他材料产生的影响的类似理解。

ARO 研究人员表示，Cha 的研究将对推进他们自己的工作非常有帮助。

“在这两项与新型二维材料相关的研究中获得的结果对于开发未来陆军在传感和能量存储方面的先进应用具有重要意义，”ARO 分部负责人 Pani Varanasi 博士说。

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