由加利福尼亚大学领导的一个研究小组用一种所谓的2D材料绘制了前所未有的原子三维实验图。物质不是真正的二维，但几乎是平面的，因为它被排列在极薄的层中，只有几个原子那么厚。
尽管基于2d材料的技术尚未在商业应用中得到广泛应用，但这种材料一直是人们相当感兴趣的研究课题。在未来，它们可能成为半导体的基础，用于更小的电子产品、量子计算机组件、更高效的电池，或者能够从盐水中提取淡水的过滤器。
2D材料的前景来自于某些特性，这些特性与相同元素或化合物在大量出现时的行为不同。这些独特的特性受到量子效应的影响。在非常小的尺度上发生的现象与在更大尺度上看到的经典物理学从根本上是不同的。例如，当碳被安排在原子厚度的薄层中形成二维石墨烯时，它比钢更强，导热性比任何其他已知材料都好，电阻几乎为零。
但是在实际应用中使用2D材质需要更好地理解它们的属性，以及控制这些属性的能力。这项发表在《自然材料》(Nature Materials)杂志上的新研究可能是这方面努力的一个进步。
研究人员表示，他们绘制的这种材料原子结构的三维图精确到皮米级。以一米的万亿分之一为单位。他们用他们的测量来量化二维材料中的缺陷，这些缺陷会影响材料的电子性能，并准确地评估这些电子性能。
这项研究的独特之处在于我们不用任何已有的模型来确定三维空间中单个原子的坐标。通讯作者约翰·建伟说:他是加州大学洛杉矶分校的物理学和天文学教授。我们的方法可以应用于各种二维材料。
苗是频闪仪国家科学基金会科技中心副主任，也是加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的成员。他在加州大学洛杉矶分校的实验室与哈佛大学、橡树岭国家实验室和莱斯大学的研究人员合作进行了这项研究。
研究人员检测了一层二硫化钼，这是一种经常被研究的二维材料。在散装时，这种化合物用作润滑剂。作为一种2D材料，它的电子特性表明它可以用于下一代半导体电子。被研究的样品经过掺杂处理。铼是一种金属，在取代钼的过程中增加了多余的电子。这种掺杂通常用于制造计算机和电子器件的元件，因为它有助于促进电子在半导体器件中的流动。
为了分析2D材料，研究人员使用了一种基于扫描透射电子显微镜的新技术，这种技术通过测量通过薄样品发射的散射电子来产生图像。miaos的团队设计了一种名为扫描原子电子断层扫描的技术，这种技术通过在样品旋转时从多个角度捕捉样品来生成3D图像。
科学家们不得不避免一个主要的挑战来制作这些图像:2D材料会因为过多地暴露在电子中而被损坏。因此，对于每个样本，研究人员重建图像的部分，然后缝合在一起，形成一个单一的三维图像—这使得他们能够使用更少的扫描，因此比一次性成像整个样品的电子剂量更低。
两个样品的尺寸分别为6纳米和6纳米，小的部分尺寸分别为1纳米和1纳米。(纳米是一米的十亿分之一。)
由此产生的图像使研究人员能够检查样本。以钼原子为例，三维结构精度可达4皮米;比氢原子直径小26倍。这种精确度使他们能够测量波纹、扭曲材料形状的应变和化学键大小的变化，所有这些变化都是由于添加了铼和mdash;在二维材料中标记出这些特性的最精确的测量。
如果我们只是假设引入掺杂剂是一种简单的替代，我们就不会期望得到大的应变。这篇论文的共同第一作者、加州大学洛杉矶分校的博士后学者田雪增说。但我们所观察到的情况比以前的实验所显示的要复杂得多。
科学家们发现，最大的变化发生在二维材料的最小维度上，也就是它的三个原子那么高。只需一个铼原子就能引起这种局部畸变。
►请阅读《自然》杂志对加州大学领导的这项研究的分析
有了材料的三维坐标信息，哈佛大学的科学家们在教授Prineha Narang的带领下，对材料的电子特性进行了量子力学计算。
这些原子尺度的实验为我们提供了一个观察二维材料行为和如何在计算中处理它们的新视角，它们可能成为新量子技术的游戏规则改变者。纳说。
由于无法获得研究中产生的那种测量数据，这种量子力学计算传统上是建立在绝对零度温度下的理论模型系统的基础上的。
研究表明，所测得的三维坐标能更准确地计算二维材料的电子性质。
我们的工作可以利用实验三维原子坐标作为直接输入来转换量子力学计算。该研究的第一作者之一、加州大学洛杉矶分校博士后学者丹尼斯·金说。这种方法将使材料工程师能够更好地预测和发现二维材料在单原子水平上的新的物理、化学和电子性质。
其他作者有加州大学洛杉矶分校的杨永秀、姚洋和袁亚坤;橡树岭国家实验室的杨世泽和Juan-Carlos Idrobo;哈佛大学的Christopher Ciccarino和Blake Duschatko;还有米的永济公和普里克尔·阿加扬。
这项研究得到了美国能源部、美国陆军研究办公室和斯特罗布国家科学基金会科学技术中心的支持。扫描透射电子显微镜实验是在美国能源部橡树岭国家实验室的纳米材料科学中心进行的。
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