Ett team ledd av Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory använde en enkel process för att implantera atomer exakt i de översta lagren av ultratunna kristaller, ger tvåsidiga strukturer med olika kemiska sammansättningar. De resulterande materialen, känd som Janus strukturer efter den tvåsidiga romerska guden, kan visa sig användbar för att utveckla energi- och informationsteknik.

"Vi förskjuter och ersätter bara de översta atomerna i ett lager som bara är tre atomer tjockt, och när vi är klara, vi har ett vackert Janus monolager där alla atomer i toppen är selen, med volfram i mitten och svavel i botten, " sa ORNLs David Geohegan, senior författare till studien, som publiceras i ACS Nano , en tidskrift från American Chemical Society. "Detta är första gången som Janus 2-D-kristaller har tillverkats genom en så enkel process."

Yu-Chuan Lin, en tidigare ORNL-postdoktor som ledde studien, Lagt till, "Janus monolager är intressanta material eftersom de har ett permanent dipolmoment i 2D-form, vilket gör att de kan separera avgifter för applikationer som sträcker sig från solceller till kvantinformation. Med denna enkla teknik, vi kan sätta olika atomer på toppen eller botten av olika lager för att utforska en mängd andra tvåsidiga strukturer."

Denna studie undersökte 2D-material som kallas övergångsmetalldikalkogenider, eller TMD, som är värderade för sina elektriska, optiska och mekaniska egenskaper. Att stämma deras kompositioner kan förbättra deras förmåga att separera laddning, katalysera kemiska reaktioner eller omvandla mekanisk energi till elektrisk energi och vice versa.

Ett enda TMD-skikt är gjort av ett lager av övergångsmetallatomer, såsom volfram eller molybden, inklämd mellan lager av kalkogenatomer, såsom svavel eller selen. Ett molybdendisulfidmonoskikt, till exempel, har molybdenatomer mellan lager av svavelatomer, strukturellt liknar en smörgåskaka med en krämig mitt mellan två chokladrån. Att ersätta ena sidans svavelatomer med selenatomer ger ett Janus-monoskikt, ungefär som att byta ut en av chokladrån mot en vanilj.

Före denna studie, att förvandla ett TMD-monoskikt till en tvåsidig struktur var mer en teoretisk bedrift än en faktisk experimentell prestation. I de många vetenskapliga artiklarna om Janus monolager publicerade sedan 2017, 60 rapporterade teoretiska förutsägelser och endast två beskrivna experiment för att syntetisera dem, enligt Lin. Detta återspeglar svårigheten att göra Janus monolager på grund av de betydande energibarriärer som förhindrar deras tillväxt med typiska metoder.

2015, ORNL-gruppen upptäckte att pulsad laseravsättning kunde omvandla molybdendiselenid till molybdendisulfid. Vid Centrum för Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science User Facility på ORNL, pulsad laseravsättning är en kritisk teknik för att utveckla kvantmaterial.

"Vi spekulerade att genom att kontrollera den kinetiska energin hos atomer, vi skulle kunna implantera dem i ett monolager, men vi trodde aldrig att vi skulle kunna uppnå en sådan utsökt kontroll, " Sa Geohegan. "Endast med atomistisk beräkningsmodellering och elektronmikroskopi vid ORNL kunde vi förstå hur man implanterar bara en bråkdel av ett monolager, vilket är fantastiskt."

Metoden använder en pulsad laser för att förånga ett fast mål till en het plasma, som expanderar från målet mot ett substrat. Denna studie använde ett selenmål för att producera ett strålliknande plasma av kluster av två till nio selenatomer, som var inriktade på att träffa förväxta volframdisulfidmonoskiktskristaller.

Nyckeln till framgång i att skapa tvåsidiga monolager är att bombardera kristallerna med en exakt mängd energi. Kasta en kula på en dörr, till exempel, och den studsar från ytan. Men skjut dörren och kulan river rakt igenom. Att implantera selenkluster i endast toppen av monoskiktet är som att skjuta en dörr och få kulan att stanna i dess yta.

"Det är inte lätt att stämma dina kulor, " sa Geohegan. De snabbaste selenklustren, med energier på 42 elektronvolt (eV) per atom, rippade genom monoskiktet; de behövde kontrolleras sakta ner för att implanteras i det översta lagret.

"Det som är nytt från det här dokumentet är att vi använder så låga energier, ", sa Lin. "Människor har aldrig utforskat regimen under 10 eV per atom eftersom kommersiella jonkällor bara går ner till 50 eV i bästa fall och inte tillåter dig att välja de atomer du skulle vilja använda. Dock, pulsad laseravsättning låter oss välja atomer och utforska detta energiområde ganska enkelt."

Nyckeln till att ställa in den kinetiska energin, Lin sa, är att kontrollerat bromsa selenklustren genom att tillsätta argongas i en tryckkontrollerad kammare. Att begränsa den kinetiska energin begränsar penetrationen av atomärt tunna skikt till specifika djup. Att injicera en puls av atomkluster vid låg energi tränger tillfälligt ihop och förskjuter atomer i en region, orsakar lokala defekter och störningar i kristallgittret. "Kristallen skjuter sedan ut de extra atomerna för att läka sig själv och omkristalliseras till ett ordnat galler, ", förklarade Geohegan. Att upprepa denna implantations- och läkningsprocess om och om igen kan öka selenfraktionen i det översta lagret till 100% för att slutföra bildandet av ett högkvalitativt Janus-monoskikt.

Att kontrollerat implantera och omkristallisera 2D-material i denna lågkinetiska energiregim är en ny väg för att tillverka 2D-kvantmaterial. "Janus-strukturer kan tillverkas på bara några minuter vid de låga temperaturer som krävs för elektronisk halvledarintegration, "Lin sa, banar väg för produktionslinjetillverkning. Därefter vill forskarna försöka göra Janus monolager på flexibla substrat användbara i massproduktion, såsom plast.

För att bevisa att de hade uppnått en Janus-struktur, Chenze Liu och Gerd Duscher, båda vid University of Tennessee, Knoxville, och Matthew Chisholm från ORNL använde högupplöst elektronmikroskopi för att undersöka en lutad kristall för att identifiera vilka atomer som fanns i det översta lagret (selen) kontra det undre lagret (svavel).

Dock, att förstå hur processen ersatte svavelatomer med större selenatomer – en energiskt svår bedrift – var en utmaning. ORNL:s Mina Yoon använde superdatorer vid Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science-användaranläggning på ORNL, att beräkna energidynamiken i denna uppförsbacke utifrån teori med hjälp av de första principerna.

Ytterligare, forskarna behövde förstå hur energi överfördes från kluster till galler för att skapa lokala defekter. Med simuleringar av molekylär dynamik, ORNLs Eva Zarkadoula visade kluster av selenatomer kolliderar med monoskiktet vid olika energier och antingen studsar av det, krascha igenom det eller implantera i det – i överensstämmelse med experimentresultaten.

För att ytterligare bekräfta Janus-strukturen, ORNL-forskare visade att strukturer hade förutspått egenskaper genom att beräkna deras vibrationslägen och genomföra Ramanspektroskopi och röntgenfotoelektronspektroskopi.

För att förstå att plymen var gjord av kluster, forskare använde en kombination av optisk spektroskopi och masspektrometri för att mäta molekylära massor och hastigheter. Tagen tillsammans, teori och experiment visade att 3 till 5 eV per atom var den optimala energin för exakt implantation för att bilda Janus-strukturer.

Titeln på uppsatsen är "Lågenergiimplantation i övergångsmetalldikalkogenidmonoskikt för att bilda Janus-strukturer."