我们的世界正处于下一次技术革命的门口，就像推动当前个人电脑和手机技术的电子产品一样，它必将彻底改变我们的生活方式。
电子学推动了自动化和信息技术的革命。计算机曾经占据了充满真空管和电路的机房。20 世纪 60 年代，研制出的具有数千甚至数百万晶体管的集成电路让工程师成功缩小了计算机的尺寸。接下来的几十年里，这些技术演变成了桌面工具和袖珍设备。
这种微型化遵循的是摩尔定律，摩尔定律核心内容是集成电路上封装的晶体管数量每 18 个月翻一番。
摩尔定律持续了大约 50 年。现在，我们已经达到了可以缩小这些由硅半导体制成的电子设备的极限。这一上限被称为量子极限，但这仍是具有体积特性的最小尺寸，超过这一极限，量子现象就会出现。
这一点 Masoud Mahjouri-Samani 博士最具有发言权，他是奥本大学电气和计算机工程助理教授，研究激光合成、激光加工以及新兴材料和器件的原位激光诊断。
“那么问题来了，如果目前的技术无法再向前一步，我们该怎么办？” Mahjouri-Samani 说道，“答案是，我们应该寻找超出我们对传统基体材料预期的新材料。
Masoud Mahjouri Samani, Ph.D.
这种新的低维物质被称为量子材料，在这种材料中，减少屏蔽和量子限制的效应会产生意想不到的特性，在宏观世界中尚无对应的性质。这种低维材料的例子包括原子级薄的二维（2D）层状晶体，其表现出传统块状 3D 晶体所不具备的特性。
“二维材料指原子级薄层，在“Z”维度上只有一个或几个原子，这意味着电荷（波函数）只能在 X 和 Y 维度上运动。” Mahjouri-Samani 说道，“二维材料表面原子是自然终止的，具有化学惰性，这限制了二维材料与周围物质的相互作用。这些特性使得二维材料与 3D晶体薄片有本质区别。”
“3D 晶体薄片表面上的所有悬空键，则希望与更多原子结合从而变大” 他说道，“因此，如果你将 3D 材料缩小到极致尺寸，你最终将得到一个所有表面都带有大量悬空键的结构，从而在你的材料中产生大量不需要的电子态。表面钝化可以帮助固定这些悬空键，但它可能会给系统带来更多复杂性。这使得新兴的二维层状材料成为一个有趣的工作平台。”
“自然界中已经有大量可用的二维材料。”他说，“例如石墨烯，它是一片石墨，本质上是一个原子层。但在电子、光电子和光子器件方面，它也存在问题。因为它的属性像半金属。因此，这些新发现的二维材料被称为过渡金属硫化物（TMDC），其中一个过渡金属的单层原子薄片夹在两个硫素原子薄片之间。”
过渡金属硫化物展现了原子级厚度、直接带隙、强自旋轨道耦合和良好电子以及机械性能的独特组合等特性，这使其成为基础研究以及高端电子学、自旋电子学、光电子学、能量收集、柔性电子学、DNA 测序和个性化医学应用的理想材料[i].
“研究人员可以操纵这些外壳的原子结构，例如，通过在需要的地方放置掺杂原子或缺陷，有意创建感兴趣的量子态，并操纵电子和自旋在系统中的行为方式。”他说道，“我们可以用这些材料做很多有趣的事情。”
接下来的问题是如何创造这些结构。科学家需要控制这些晶体的晶体质量、缺陷数量、空位和掺杂物。一些科学家使用化学气相沉积和其他技术。
Mahjouri-Samani 找到了推进二维量子材料研究和发现的替代方法。他利用激光的空间和时间可调性、可控能量和功率密度、可调带宽和偏振来合成、处理和表征二维材料。 [ii][iii][iv][v]例如，他利用激光合成来实现高质量晶体的时间分辨生长，使用激光处理来诱导缺陷或在二维材料中进行局部掺杂，并使用激光诊断来原位和非原位监控其特性。[vi]
但是，在晶体内掺杂或制造缺陷时，需要监控晶体的结构和电子变化。例如，用拉曼光谱监测结构变化，用光致发光光谱监测电子变化。
他说，在这些新材料中，“晶体振动或所谓的拉曼指纹非常清晰”。“因此，随着系统中原子质量、类型和排列的变化，拉曼振动频率开始偏移，你可以对其进行监控。类似地，如果操纵晶体，光致发光发射也会偏移。这就是为什么激光诊断是目前监控这些材料的关键。”
HORIBA Spectroscopy Systems integrated into a customize microscope Prof. Masoud Mahjouri-Samani's Laser-Assisted Science and Engineering (LASE) Lab at Auburn University.
和其他科学家一样，奥本大学 Masoud Mahjouri-Samani 教授在他的激光辅助科学与工程实验室中定制了一套仪器——定制显微镜集成HORIBA光谱系统，来满足他的特殊需求。
他将 HORIBA iHR320 光谱仪、EMCCD 和 PMT 与定制的显微镜集成在一起，来进行拉曼、光致发光和 TCSPC（时间相关单光子计数）分析。
他还在仪器顶部增加了光路和激光处理与诊断路径，通过显微镜到达样品，然后返回光谱仪。整个系统被他称为激光诊断系统。
利用该仪器，研究人员可以从拉曼光谱和光致发光光谱中了解材料的物理和电子结构。
“我们可以监测这些振动和光致发光发射，”他说。“这将有助于我们理解结构在被操纵时会发生什么”。
因为控制样品很重要，你需要知道样品是否掺杂或存在缺陷，这样才能制成对未来应用有用的材料。
“这就是拉曼和光致发光光谱仪是一个完美工具的原因。”他说。
当然，透射电子显微镜也可用于进行分析，但这些方法成本高、耗时长且需要样品制备。拉曼光谱和光致发光光谱则更快，允许研究人员进行实时分析，且无任何样品制备和污染问题。
“我们能够合成各种类型的二维材料。”他说。“现在我们能够用激光处理它们。我们对其进行掺杂，制造缺陷，然后利用拉曼光谱、光致发光光谱和寿命[L1] 来研究发生了什么。”
Masoud Mahjouri-Samani 的研究目标是为未来制造更好的量子和功能材料。这些材料会弥合我们目前的电子产品和未来难以想象的技术之间的差距。但要实现这一飞跃，需要首先发现并开发这些新材料。
“我们正处于下一次技术革命的前夕，要以一种新的方式制造材料和器件。现在，我们正走向量子信息科学、量子电子学、量子光子学等，因为我们正在达到那个维度的状态，” Mahjouri-Samani 预言道。
现在的重点是基础研究，主要是了解这些材料的行为，了解我们如何制造和操纵这些材料来控制它们的行为。
“就像 50 年前的硅一样，所有的努力都集中在我们如何制造单晶，如何将晶体制造得尽可能大，如何为它们掺杂施主和受主，以及如何在它们之间制造混合和异质结构，以创造我们今天拥有的这些技术。”他说。
“而现在，我们正在做这些重要的工作，研究如何制造这些量子材料的单晶，如何操纵它们，如何定制它们的属性，如何在它们之间创建异质结构，如何使它们与当前的制造基础设施兼容，以及如何将它们与其他材料结合起来制造 0D、1D、2D 和 3D 混合结构。”
目前这些还都处在基础研发阶段，而且很难预测它需要多长时间才能被消费者和工业应用采用，因为这些材料的应用受到诸多因素的影响。
例如，数万亿美元的半导体行业是否愿意重组和改变其基础设施？Mahjouri-Samani 认为，这将是一个渐进的变化过程，新的行业慢慢诞生，并加入更大的行业。
“嗯，这是一种进化。”他说。
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