Процесс ‘двуликий’ наноматериалы могут помочь энергетики, информационных технологий

Команда во главе с Национальной лабораторией Министерства энергетики в Оук-Ридж использовал простой процесс имплантации атомов точно в верхний слои ультратонкие кристаллы, получая двухсторонние конструкции с различными химическими составами. Полученные материалы, известный как Янус конструкций после двуликого римского бога, могут оказаться полезными в развитии энергетики и информационных технологий.

«Мы вытесняя и заменяя только верхнюю атомов в слое, который находится всего в три атома толщиной, и когда мы закончим, у нас красивый Янус монослоя, где все атомы в вершине, Селена, вольфрама в середине и серы в дне», — сказал ORNL, США Дэвид Geohegan, старший автор исследования, которое опубликовано в ACS Nano, в журнале Американского химического общества. «Это первый раз, что Янус 2Д кристаллов были изготовлены по такой простой процесс».

Ю-Чуан Лин, бывший научный сотрудник Национальной лаборатории Ок-Риджа, который возглавлял исследование, отметил: «Янус монослоев интересные материалы, потому что они обладают постоянным дипольным моментом в 2D виде, что позволяет им отдельную плату приложений, начиная от фотоэлектрических элементов для квантовой информации. С этой простой техникой, мы можем поставить различные атомы в верхней или нижней части разных слоев, чтобы исследовать другую двуличная структур».

Это исследование исследовали 2Д материалами называют дихалькогенидов переходных металлов, или Пмдс, которые ценятся за их электрические, оптические и механические свойства. Тюнинг своими композициями могут улучшить свои способности на отдельную плату, катализируют химические реакции или преобразовывать механическую энергию в электрическую энергию и наоборот.

Один ТМД слой выполнен из слоя атомов переходных металлов, таких как вольфрам или молибден, помещенного между слоями атомов халькогена, таких как сера или селен. Молибдена дисульфид монослоя, например, характеристики атома молибдена между слоями атомов серы, конструктивно похожее на сэндвич печенье со сливочной центре между двух шоколадных вафель. Замена одной из сторон атомов серы с атомами Селена производит Янус монослоя, сродни замены одного из шоколадных вафель с ванильным одна.

До этого исследования, превращая ТМД монослоя в двуликие структуры был больше теоретический подвиг, чем фактические экспериментальные достижения. Во многих научных трудов о монослоев Янус Опубликовано с 2017 года, 60 сообщили теоретическими предсказаниями и только две описанные эксперименты, чтобы синтезировать их, по данным Лин. Это отражает трудности в принятии Янус монослоев из-за значительных энергетических барьеров, которые препятствуют их росту на традиционные методы.

В 2015 году в Национальной лаборатории Ок-Риджа группы обнаружено, что импульсное лазерное осаждение может конвертировать молибдена, диселенид молибдена дисульфид. В центре материалами nanophase наук, отделение Пупкин науки пользователем объекта в ORNL, импульсного лазерного напыления является критическая технология разработки квантовых материалов.

«Мы предположили, что, управляя кинетической энергии атомов, мы можем имплантировать их в монослое, но мы не думали, мы могли бы добиться такого тонкого контроля», — сказал Geohegan. «Только с атомистическое компьютерное моделирование и электронной микроскопии в Национальной лаборатории Ок-Риджа удалось понять, как имплантат всего за доли монослоя, который является удивительным.»

Метод использует импульсный лазер для испарения твердой мишени в горячую плазму, которая расширяется от мишени к подложке. В данном исследовании используется целевая селена для получения пучка-плазменного кластеров от двух до девяти атомов селена, которые были направлены на забастовку, предварительно выращенных дисульфид вольфрама монослой кристаллов.

Ключ к успеху в создании двуличная монослоев бомбардируют кристаллы с точным количеством энергии. Бросить пулю в дверь, например, и он отскакивает от поверхности. Но стрелять в дверь, и пуля рипы прямо через. Имплантации Селена кластеров в верхней части монослоя как снимать дверь и получив пулю остановить на ее поверхности.

«Это не легко, чтобы настроить ваши пули», — сказал Geohegan. Самый быстрый селен кластеров, с энергиями 42 электрон-вольт (ЭВ) в атоме, разорвал монослоя; они должны быть контролируемо замедлила вживить в покровный слой.

«Что нового в данной работе мы используем такие низкие энергии», — сказал Лин. «Люди никогда не исследовал режим ниже 10 эВ на атом, потому что коммерческие источники ионов только спуститься до 50 ЭВ в лучшем случае, и не позволяют выбрать, АТО вы хотели бы использовать. Однако, импульсного лазерного напыления позволяет нам выбрать атомов и исследовать довольно легко в этом энергетическом диапазоне».

Ключ к тюнинг кинетической энергии, сказал Лин, — это контролируемо медленно селен кластеры путем добавления газа аргона при давлении контролируемой камеры. Ограничения кинетической энергии ограничивает проникновение атомарно тонких слоев на определенной глубине. Введение импульса атома кластеров при низких энергиях временно толпы и вытесняет атомы в регионе, вынуждает местных дефектов и беспорядка в кристаллической решетке. «Затем Кристалл выбрасывает лишние атомы, чтобы исцелить себя и перекристаллизовывает в упорядоченной решетке,» Geohegan объяснил. Повторяя этот процесс имплантации и заживления и может увеличить долю селена в верхнем слое до 100%, чтобы завершить формирование качественного Янус монослоя.

Контролируемо имплантации и рекристаллизовать 2D материалы в этой низкой кинетической энергии режима-новая дорога для создания 2D квантовых материалов. «Янус структур можно сделать в считанные минуты при низких температурах, которые требуются для полупроводниковых электронных интеграции», — сказал Лин, прокладывая путь для производства-линия производства. Далее исследователи хотят попробовать сделать Янус монослоев на гибких подложках полезен в массовом производстве, таких как пластик.

Чтобы доказать, что они добились Янус структура, Chenze Лю и ГЭРБ Duscher, оба из Университета Теннесси, Ноксвилл, и Мэтью Чисхолм из ORNL, США используют высокоразрешающей электронной микроскопии для изучения наклонной кристалл, чтобы определить, какие атомы в верхнем слое (селен) и нижний слой (сера).

Однако понимание того, как процесс заменены атомами серы с более крупными атомами Селена — энергетически трудный подвиг — это был вызов. ORNL, США-это мина Юн используются суперкомпьютеры в руководстве дуб вычислительный комплекс-Ридж Министерства энергетики США Управление по науке пользователем объекта в ORNL, для расчета динамики энергии неравный бой с теории, используя первые принципы.

Кроме того, ученым необходимо понять, как энергия передается от кластеров в решетках для создания локальных дефектов. С методом молекулярной динамики, Ева Zarkadoula ORNL, США показали кластеров атомов Селена сталкиваются с монослоя при различных энергиях и либо отскакивают от нее, прорваться через это или имплантата в нем, согласуются с экспериментальными результатами.

Для дополнительного подтверждения структуры Янус, исследователи ORNL, США доказали, расчистка предсказывали характеристик путем вычисления их колебательных режимов и проведения рамановской спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии эксперименты.

Чтобы понять, что шлейф был изготовлен из кластеров, ученые использовали комбинацию оптической спектроскопии и масс-спектрометрии для измерения молекулярных масс и скоростей. Взятые вместе, теория и эксперимент указано 3 до 5 эВ на атом оптимальной энергии для точной имплантации для формирования Янус структур.

сделать разницу: спонсорские возможности