Enkel proces for nanomaterialer med to ansigter kan hjælpe energi, informationsteknologi

Et team ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory brugte en simpel proces til at implantere atomer præcist i de øverste lag af ultratynde krystaller, giver tosidige strukturer med forskellige kemiske sammensætninger. De resulterende materialer, kendt som Janus-strukturer efter den romerske gud med to ansigter, kan vise sig nyttig i udviklingen af ​​energi- og informationsteknologier.

"Vi fortrænger og udskifter kun de øverste atomer i et lag, der kun er tre atomer tykt, og når vi er færdige, vi har et smukt Janus -enkeltlag, hvor alle atomer i toppen er selen, med wolfram i midten og svovl i bunden, "sagde ORNLs David Geohegan, seniorforfatter af undersøgelsen, som udgives i ACS Nano , et tidsskrift for American Chemical Society. "Det er første gang, at Janus 2-D krystaller er blevet fremstillet ved en så simpel proces."

Yu-Chuan Lin, en tidligere ORNL postdoktor, der ledede undersøgelsen, tilføjet, "Janus monolag er interessante materialer, fordi de har et permanent dipolmoment i en 2-D-form, som giver dem mulighed for at adskille gebyr for applikationer lige fra fotovoltaik til kvanteinformation. Med denne enkle teknik, vi kan sætte forskellige atomer på toppen eller bunden af ​​forskellige lag for at udforske en række andre strukturer med to ansigter. "

Denne undersøgelse undersøgte 2-D materialer kaldet overgangsmetal dichalcogenider, eller TMD'er, der er værdsat for deres elektriske, optiske og mekaniske egenskaber. Tuning af deres kompositioner kan forbedre deres evner til at adskille ladning, katalysere kemiske reaktioner eller omdanne mekanisk energi til elektrisk energi og omvendt.

Et enkelt TMD -lag er lavet af et lag af overgangsmetalatomer, såsom wolfram eller molybdæn, klemt mellem lag af chalcogenatomer, såsom svovl eller selen. Et molybdendisulfid -monolag, for eksempel, indeholder molybdænatomer mellem lag af svovlatomer, strukturelt ligner en sandwich -cookie med et cremet center mellem to chokoladeplader. Udskiftning af den ene sides svovlatomer med selenatomer giver et Janus -enkeltlag, ligner at bytte en af ​​chokoladepladerne med en vanilje.

Inden denne undersøgelse, at omdanne et TMD-monolag til en struktur med to ansigter var mere en teoretisk bedrift end en egentlig eksperimentel præstation. I de mange videnskabelige artikler om Janus -monolag offentliggjort siden 2017, 60 rapporterede teoretiske forudsigelser og kun to beskrevne eksperimenter for at syntetisere dem, ifølge Lin. Dette afspejler vanskeligheden ved at lave Janus enkeltlag på grund af de betydelige energibarrierer, der forhindrer deres vækst ved typiske metoder.

I 2015, ORNL -gruppen opdagede, at pulserende laseraflejring kunne omdanne molybdæn -diselenid til molybdendisulfid. På Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science User Facility på ORNL, pulserende laseraflejring er en kritisk teknik til udvikling af kvantematerialer.

"Vi spekulerede på, at ved at kontrollere atomernes kinetiske energi, vi kunne implantere dem i et enkeltlag, men vi troede aldrig, at vi kunne opnå en så udsøgt kontrol, "Sagde Geohegan." Kun med atomistisk beregningsmodellering og elektronmikroskopi på ORNL var vi i stand til at forstå, hvordan vi kun kunne implantere en brøkdel af et enkeltlag, hvilket er fantastisk. "

Metoden anvender en pulserende laser til at fordampe et fast mål til et varmt plasma, som ekspanderer fra målet mod et substrat. Denne undersøgelse brugte et selenmål til at producere et strålelignende plasma af klynger med to til ni selenatomer, som blev rettet mod at ramme forvoksede wolframdisulfid-monolagskrystaller.

Nøglen til succes med at skabe to-facede monolag er at bombardere krystallerne med en præcis mængde energi. Kast en kugle på en dør, for eksempel, og det hopper af overfladen. Men skyd døren, og kuglen river lige igennem. Implantering af selenhobe i kun toppen af ​​monolaget er som at skyde en dør og få kuglen til at stoppe i overfladen.

"Det er ikke let at tune dine kugler, "Sagde Geohegan. De hurtigste selenhobe, med energier på 42 elektronvolt (eV) pr. atom, revet gennem monolaget; de skulle kontrolleres langsomt til at implantere i det øverste lag.

"Det nye fra dette papir er, at vi bruger så lave energier, "sagde Lin." Folk udforskede aldrig regimet under 10 eV pr. atom, fordi kommercielle ionkilder i bedste fald kun går ned til 50 eV og ikke tillader dig at vælge de atomer, du gerne vil bruge. Imidlertid, pulserende laseraflejring lader os vælge atomerne og udforske dette energiområde ret let. "

Nøglen til at indstille kinetisk energi, Lin sagde, er at kontrollere selenklyngerne kontrollerbart ved at tilføje argongas i et trykstyret kammer. Begrænsning af den kinetiske energi begrænser penetrationen af ​​atomtynde lag til bestemte dybder. Indsprøjtning af en puls af atomklynger ved lav energi skubber midlertidigt og fortrænger atomer i en region, forårsager lokale defekter og uorden i krystalgitteret. "Krystalen skubber derefter de ekstra atomer ud for at helbrede sig selv og omkrystalliseres til et ordnet gitter, "Forklarede Geohegan. Gentagelse af denne implantations- og helingsproces igen og igen kan øge selenfraktionen i det øverste lag til 100% for at fuldføre dannelsen af ​​et Janus-monolag af høj kvalitet.

Kontrollerbart implantering og omkrystallisering af 2-D-materialer i dette lavkinetiske energiregime er en ny vej til fremstilling af 2-D-kvantematerialer. "Janus -strukturer kan laves på få minutter ved de lave temperaturer, der er nødvendige for halvleder elektronisk integration, "Sagde Lin, baner vejen for produktion af produktionslinjer. Dernæst vil forskerne prøve at lave Janus -enkeltlag på fleksible underlag, der er nyttige til masseproduktion, såsom plast.

For at bevise, at de havde opnået en Janus -struktur, Chenze Liu og Gerd Duscher, begge fra University of Tennessee, Knoxville, og Matthew Chisholm fra ORNL brugte elektronmikroskopi i høj opløsning til at undersøge en vippet krystal for at identificere, hvilke atomer der var i det øverste lag (selen) versus det nederste lag (svovl).

Imidlertid, at forstå, hvordan processen erstattede svovlatomer med større selenatomer - en energisk vanskelig bedrift - var en udfordring. ORNLs Mina Yoon brugte supercomputere på Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science -brugerfacilitet på ORNL, at beregne energidynamikken i denne op ad bakke kamp ud fra teori ved hjælp af første principper.

Yderligere, forskerne havde brug for at forstå, hvordan energi overføres fra klynger til gitter for at skabe lokale defekter. Med simuleringer af molekylær dynamik, ORNLs Eva Zarkadoula viste klynger af selenatomer kollidere med monolaget ved forskellige energier og enten hoppe af det, gå igennem det eller implantere i det - i overensstemmelse med de eksperimentelle resultater.

For yderligere at bekræfte Janus -strukturen, ORNL-forskere viste, at strukturer havde forudsagt egenskaber ved at beregne deres vibrationstilstande og udføre Raman-spektroskopi og røntgenfotoelektronspektroskopi-eksperimenter.

For at forstå, at fjorden var lavet af klynger, forskere brugte en kombination af optisk spektroskopi og massespektrometri til at måle molekylmasser og hastigheder. Taget sammen, teori og eksperiment indikerede, at 3 til 5 eV pr. atom var den optimale energi til præcis implantation til dannelse af Janus -strukturer.

Papirets titel er "Lavenergi-implantation i overgangsmetal-dichalcogenid-monolag til dannelse af Janus-strukturer."