罗格斯大学新不伦瑞克分校的科学家们发现了一种名为晶间的新型材料，这种材料具有不寻常的电子特性，可能有助于塑造未来的技术。

据研究小组称，晶界表现出以前从未观察到的电子特性，为先进电子设备、量子计算和可持续材料等领域的发展开辟了道路。

相关研究成果已发表于《自然·材料》杂志，其中描述了研究人员是如何通过在六方氮化硼晶体（一种由硼和氮组成的化合物）上叠加两层石墨烯（每层只有一个原子厚度，呈蜂窝状网格排列）来制造出晶体间的。通过轻微扭转石墨烯层，他们制造出了莫尔条纹（类似于两块精细网格屏幕重叠时出现的视觉波纹）。这一微小的结构变化极大地影响了电子在材料中的传输方式。

用几何形状控制电子

“我们的发现为材料设计开辟了一条新途径，”罗格斯艺术与科学学院物理与天文学系董事会教授、该研究的主要作者伊娃·安德烈说，“晶界为我们提供了一种新的手段，仅通过几何形状就能控制电子行为，而无需改变材料的化学成分。”

研究人员称，通过了解和控制晶粒间电子的独特属性，科学家可以利用它们开发更高效的技术，例如晶体管和传感器，而以前这些技术的实现需要更复杂的材料和工艺组合。

“你可以想象设计一个完整的电子电路，其中每一个功能——开关、传感、信号传播——都由原子层面的几何调整来控制，”物理学助理教授、本研究合著者之一杰迪代亚·皮克斯利说，“晶界可能是此类未来技术的基石。

“这一发现依赖于现代物理学中一项新兴技术——‘扭曲电子学’，其中材料层以特定角度扭曲以形成莫尔条纹。这些配置极大地改变了物质内部电子的行为，从而导致出现常规晶体中不存在的特性。

安德烈及其团队在2009年首次证明了这一基础理念，他们当时表明，扭曲石墨烯中的莫尔条纹会极大地重塑其电子结构。这一发现为扭转电子学领域奠定了基础。

超越传统晶体

电子是在材料中移动的微小粒子，负责导电。在普通晶体中，原子以完全排列的网格形式重复出现，电子的移动方式是众所周知且可预测的。由于对称性的内在特性，当晶体按一定角度或距离旋转或移动时，其外观不会发生变化。

然而，研究人员发现，晶界间的电子特性会随着其结构的微小变化而发生显著变化。这种变化可能会导致一些新的、不寻常的特性，如超导性和磁性，而这些特性在普通晶体中通常是不存在的。超导材料有望实现电流的持续流动，因为它们导电的电阻为零。

科学家们表示，晶界间材料可能成为新型低损耗电子元件和原子传感器的构成部分，而这些元件和传感器可在量子计算机制造过程中发挥作用，推动新型消费技术的问世。

这些材料还有可能成为更环保的电子技术的基础。

安德烈说：“因为这些结构可以由丰富的无毒元素制成，如碳、硼和氮，而不是稀土元素，因此它们也为未来技术提供了更加可持续且可扩展的途径。”

物质的新形态

晶间不仅不同于传统晶体，也不同于准晶体。准晶体是1982年发现的一种特殊类型的晶体，具有有序结构，但不具备常规晶体中重复出现的图案。

研究团队成员将这种发现物命名为“晶间体”，因为它们是晶体和准晶体之间的混合物：它们像准晶体一样具有非重复图案，但与常规晶体具有共同的对称性。

安德烈说：“20世纪80年代准晶体的发现挑战了关于原子排列的旧规则。通过晶间，我们更进一步，表明通过利用最小尺度上的几何受挫，可以设计出新材料，从而获得物质的新相。”

罗格斯大学的研究人员对于晶界材料的未来应用持乐观态度，这为在原子层面探索和操控材料性能开辟了新的可能性。

皮克斯利（Pixley）说：“这只是个开始。我们很期待这一发现将把我们引向何方，以及在未来几年它将如何影响技术和科学。”

参考文献：《六方氮化硼上扭曲双层石墨烯异质结构中的莫尔周期性和准周期性晶体》，作者：赖新元、李国红、安杰拉·M·科、耶底底亚·H·皮克斯利、菅原健治、谷口隆司、安德列娃·Y，发表于2025年5月6日，载于《自然·材料》杂志。DOI：10.1038/s41563-025-02222-w

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