Een team onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy gebruikte een eenvoudig proces om atomen precies in de bovenste lagen van ultradunne kristallen te implanteren. waardoor tweezijdige structuren met verschillende chemische samenstellingen ontstaan. De resulterende materialen, bekend als Janus-structuren naar de Romeinse god met twee gezichten, nuttig kan zijn bij de ontwikkeling van energie- en informatietechnologieën.

"We verplaatsen en vervangen alleen de bovenste atomen in een laag die slechts drie atomen dik is, en als we klaar zijn, we hebben een prachtige Janus-monolaag waar alle atomen in de top selenium zijn, met wolfraam in het midden en zwavel in de bodem, " zei David Geohegan van ORNL, senior auteur van de studie, die is gepubliceerd in ACS Nano , een tijdschrift van de American Chemical Society. "Dit is de eerste keer dat Janus 2-D-kristallen zijn vervaardigd met zo'n eenvoudig proces."

Yu Chuan Lin, een voormalige ORNL-postdoctoraal fellow die de studie leidde, toegevoegd, "Janus-monolagen zijn interessante materialen omdat ze een permanent dipoolmoment hebben in een 2D-vorm, waardoor ze ladingen kunnen scheiden voor toepassingen variërend van fotovoltaïsche energie tot kwantuminformatie. Met deze eenvoudige techniek we kunnen verschillende atomen op de boven- of onderkant van verschillende lagen plaatsen om een ​​verscheidenheid aan andere tweezijdige structuren te verkennen."

Deze studie onderzocht 2-D materialen genaamd overgangsmetaal dichalcogeniden, of TMD's, die worden gewaardeerd om hun elektrische, optische en mechanische eigenschappen. Het afstemmen van hun composities kan hun vermogen om lading te scheiden verbeteren, chemische reacties katalyseren of mechanische energie omzetten in elektrische energie en vice versa.

Een enkele TMD-laag is gemaakt van een laag overgangsmetaalatomen, zoals wolfraam of molybdeen, ingeklemd tussen lagen chalcogeenatomen, zoals zwavel of selenium. Een monolaag van molybdeendisulfide, bijvoorbeeld, bevat molybdeenatomen tussen lagen zwavelatomen, structureel vergelijkbaar met een sandwichkoekje met een romig midden tussen twee chocoladewafels. Vervanging van de zwavelatomen aan één kant door seleniumatomen produceert een Janus-monolaag, vergelijkbaar met het verwisselen van een van de chocoladewafels met een vanillewafel.

Voorafgaand aan deze studie, het veranderen van een TMD-monolaag in een structuur met twee gezichten was meer een theoretische prestatie dan een daadwerkelijke experimentele prestatie. In de vele wetenschappelijke artikelen over Janus-monolagen die sinds 2017 zijn gepubliceerd, 60 gerapporteerde theoretische voorspellingen en slechts twee beschreven experimenten om ze te synthetiseren, volgens Lin. Dit weerspiegelt de moeilijkheid bij het maken van monolagen van Janus vanwege de aanzienlijke energiebarrières die hun groei door typische methoden verhinderen.

in 2015, de ORNL-groep ontdekte dat gepulseerde laserdepositie molybdeendiselenide kon omzetten in molybdeendisulfide. Bij het Centrum voor Nanofase Materiaalwetenschappen, een DOE Office of Science User Facility bij ORNL, gepulseerde laserdepositie is een kritische techniek voor het ontwikkelen van kwantummaterialen.

"We speculeerden dat door de kinetische energie van atomen te beheersen, we zouden ze in een monolaag kunnen implanteren, maar we hadden nooit gedacht dat we zo'n voortreffelijke controle zouden kunnen bereiken, " zei Geohegan. "Alleen met atomistische computationele modellering en elektronenmicroscopie bij ORNL konden we begrijpen hoe we slechts een fractie van een monolaag konden implanteren, wat geweldig is."

De methode maakt gebruik van een gepulseerde laser om een ​​vast doelwit te verdampen in een heet plasma, die zich uitbreidt van het doelwit naar een substraat. Deze studie gebruikte een seleniumdoelwit om een ​​straalachtig plasma te produceren van clusters van twee tot negen seleniumatomen, die waren gericht op het treffen van voorgegroeide monolaagkristallen van wolfraamdisulfide.

De sleutel tot succes bij het maken van monolagen met twee gezichten is het bombarderen van de kristallen met een precieze hoeveelheid energie. Gooi een kogel naar een deur, bijvoorbeeld, en het stuitert van het oppervlak. Maar schiet op de deur en de kogel scheurt er dwars doorheen. Het implanteren van seleniumclusters in alleen de bovenkant van de monolaag is als het schieten van een deur en de kogel stopt in het oppervlak.

"Het is niet gemakkelijk om je kogels af te stemmen, " zei Geohegan. De snelste seleniumclusters, met energieën van 42 elektronvolt (eV) per atoom, gescheurd door de monolaag; ze moesten controleerbaar worden vertraagd om in de bovenste laag te implanteren.

"Wat nieuw is aan dit artikel is dat we zulke lage energieën gebruiken, "Zei Lin. "Mensen hebben nooit het regime onder de 10 eV per atoom onderzocht, omdat commerciële ionenbronnen op zijn best maar tot 50 eV dalen en je niet toestaat om de atomen te kiezen die je wilt gebruiken. Echter, gepulseerde laserdepositie stelt ons in staat de atomen te kiezen en dit energiebereik vrij gemakkelijk te verkennen."

De sleutel tot het afstemmen van de kinetische energie, Lin zei, is om de seleniumclusters controleerbaar te vertragen door argongas toe te voegen in een drukgestuurde kamer. Het beperken van de kinetische energie beperkt de penetratie van atomair dunne lagen tot bepaalde diepten. Het injecteren van een puls van atoomclusters bij lage energie verdringt tijdelijk en verplaatst atomen in een regio, veroorzaakt lokale defecten en wanorde in het kristalrooster. "Het kristal stoot dan de extra atomen uit om zichzelf te genezen en herkristalliseert tot een ordelijk rooster, " legt Geohegan uit. Door dit implantatie- en genezingsproces steeds opnieuw te herhalen, kan de seleniumfractie in de toplaag tot 100% toenemen om de vorming van een hoogwaardige Janus-monolaag te voltooien.

Het beheersbaar implanteren en herkristalliseren van 2D-materialen in dit regime met lage kinetische energie is een nieuwe weg naar het maken van 2D-kwantummaterialen. "Janus-structuren kunnen in slechts enkele minuten worden gemaakt bij de lage temperaturen die nodig zijn voor elektronische halfgeleiderintegratie, "Lin zei, de weg vrijmaakt voor productielijnproductie. Vervolgens willen de onderzoekers proberen Janus-monolagen op flexibele substraten bruikbaar te maken in massaproductie, zoals kunststoffen.

Om te bewijzen dat ze een Janus-structuur hadden bereikt, Chenze Liu en Gerd Duscher, beide van de Universiteit van Tennessee, Knoxville, en Matthew Chisholm van ORNL gebruikte elektronenmicroscopie met hoge resolutie om een ​​gekanteld kristal te onderzoeken om te identificeren welke atomen zich in de bovenste laag (selenium) en de onderste laag (zwavel) bevonden.

Echter, begrijpen hoe het proces zwavelatomen verving door grotere seleniumatomen - een energetisch moeilijke prestatie - was een uitdaging. ORNL's Mina Yoon gebruikte supercomputers bij de Oak Ridge Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij ORNL, om de energiedynamiek van deze zware strijd vanuit theorie te berekenen met behulp van eerste principes.

Verder, de wetenschappers moesten begrijpen hoe energie van clusters naar roosters werd overgedragen om lokale defecten te creëren. Met moleculaire dynamica-simulaties, ORNL's Eva Zarkadoula liet zien dat clusters van seleniumatomen met verschillende energieën botsen met de monolaag en er ofwel tegen weerkaatsen, er doorheen botsen of erin implanteren - in overeenstemming met de experimentele resultaten.

Om de Janus-structuur verder te bevestigen, ORNL-onderzoekers bewezen dat structuren kenmerken hadden voorspeld door hun vibratiemodi te berekenen en Raman-spectroscopie en röntgenfoto-elektronspectroscopie-experimenten uit te voeren.

Om te begrijpen dat de pluim uit clusters bestond, wetenschappers gebruikten een combinatie van optische spectroscopie en massaspectrometrie om moleculaire massa's en snelheden te meten. Bij elkaar genomen, theorie en experiment gaven aan dat 3 tot 5 eV per atoom de optimale energie was voor nauwkeurige implantatie om Janus-structuren te vormen.

De titel van het artikel is "Lage-energie implantatie in overgangsmetaal dichalcogenide monolagen om Janus-structuren te vormen."