新科技助力设计新型“智能”材料

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从来自FOM基金会和莱顿大学的物理学家已经发现了一种方法可更好地分析人工智能材料的性能。这种方法揭示了智能材料层与层之间是如何相互作用的，并有望以此实现设计具有预期性能的材料。

图示：a)一种新的测量技术，可以在堆叠材料中沿一个角度发射电子。通过分析电子的反射，研究者可以更好地理解二维层如何协同作用而具有复合材料的性能。b)研究人员更长远的目标是设计新材料，通过构建成“三明治”结构使材料具有目标特性。


来自FOM基金会和莱顿大学的物理学家已经发现了一种方法可更好地分析人工智能材料的性能。这种方法揭示了智能材料层与层之间是如何相互作用而使材料达到更高性能。该研究小组组长Sense Jan van der Molen和他的研究员将于2015年11月26日在《Nature Communications》杂志上公布他们的研究成果。


我们能设计出具有全新性能的智能材料吗？把非常薄的层，甚至只有一个原子层厚，堆叠成一个三维的材料，其结构类似于三明治。这是一种非常有前景的方法。有趣的是，这些复合材料的性能不仅取决于单个层的属性，层之间的相互作用也起着重要的作用。因此，相对于基于个别层的属性而对材料整体性能的预测，此类层状材料性能可能远远的出乎你的预料，整体的性能远大于部分之和。来自FOM和莱顿大学的物理学家已经开发出一种技术，可以助他们研究材料层之间的相互作用。


能带结构


材料的电子结构特征决定了材料的宏观性能，电子结构可以通过“能带结构”理论进行描述。能带结构解释了材料中的电子可以具有多少能量，以及这种能量是如何依赖于电子速度的。电子结构中有具有能级的带（“允带 ”）和允带之间没有能级的带（“禁带”）。能带结构的很大一部分在以前是很难测量的。本篇论文的第一作者Johannes Jobst和他的同事通过使用升级的特殊显微镜（低能量电子显微镜（LEEM））解决了这个问题。


这种显微镜能用一种特殊的能量在被测材料上激发出电子。随后，研究人员测量了被反射的具有不同能量的电子数。当入射电子遇到材料中未被填充的能带，电子就不会被反射。相反，当材料中没有空余能带容纳入射电子时，电子反射率就很高。采用这种方法，研究人员可以测量层状材料的填充或未被填充的电子态，因此，就能描述出其大致的能带结构。


通过对各种堆栈的石墨烯的研究，研究人员设法揭示出电子结构是如何影响不同层之间的相互作用的。该方法具有比传统方法高出100000倍的空间分辨率。这对于研究是很重要的，因为目前的层状材料表面积都非常小（远小于一平方毫米）。


可设计性能的材料


一旦科学家对物质之间的相互作用非常了解，他们就会采取下一步行动。Sense Jan van der Molen说：“我们希望能够预先设定某些性质，随后用某种方式将材料堆叠来制成所需性能的材料。这种能按预期设计出来的材料是我们的长期目标。”