双面纳米材料的简单工艺可能有助于能源信息技术

由能源部橡树岭国家实验室领导的一个团队使用一个简单的过程将原子精确地注入超薄晶体的顶层，从而产生具有不同化学成分的两侧结构。由此产生的材料，被称为罗马双面神之后的 Janus 结构，可能被证明对开发能源和信息技术很有用。

“我们只置换和替换只有三个原子厚的层中的最顶层原子，当我们完成后，我们有一个美丽的 Janus 单层，其中顶部的所有原子都是硒，中间是钨，该研究的资深作者、ORNL 的 David Geohegan 说，该研究发表在化学学会的期刊ACS Nano 上。“这是第一次通过如此简单的工艺制造出 Janus 二维晶体。”

领导这项研究的前 ORNL 博士后研究员 Yu-Chuan Lin 补充说：“Janus 单层是有趣的材料，因为它们具有二维形式的永久偶极矩，这使它们能够分离电荷，用于从光伏到量子的应用信息。通过这种简单的技术，我们可以将不同的原子放在不同层的顶部或底部，以探索其他各种双面结构。”

这项研究探索了称为过渡金属二硫属化物 (TMD) 的二维材料，这些材料因其电学、光学和机械性能而受到重视。调整它们的成分可以提高它们分离电荷、催化化学反应或将机械能转化为电能的能力，反之亦然。

单个 TMD 层由一层过渡金属原子(例如钨或钼)制成，夹在硫族原子层(例如硫或硒)之间。例如，二硫化钼单层在硫原子层之间具有钼原子，其结构类似于夹心饼干，在两个巧克力威化饼之间具有奶油状中心。用硒原子替换一侧的硫原子会产生一个 Janus 单层，类似于用香草薄饼交换其中一个巧克力薄饼。

在这项研究之前，将 TMD 单层变成双面结构与其说是实际的实验成就，不如说是一种理论壮举。Lin 表示，在 2017 年以来发表的许多关于 Janus 单层的科学论文中，60 篇报道了理论预测，只有两篇描述了合成它们的实验。这反映了制造 Janus 单层的困难，因为通过典型方法阻止它们生长的显着能量障碍。

2015 年，ORNL 小组发现脉冲激光沉积可以将二硒化钼转化为二硫化钼。在 ORNL 的能源部科学用户设施办公室纳米相材料科学中心，脉冲激光沉积是开发量子材料的关键技术。

“我们推测通过控制原子的动能，我们可以将它们植入单层，但我们从未想过我们可以实现如此精细的控制，”Geohegan 说。“只有通过 ORNL 的原子计算模型和电子显微镜，我们才能理解如何仅植入单层的一小部分，这太棒了。”

该方法使用脉冲激光将固体目标蒸发成热等离子体，该等离子体从目标向基板扩展。该研究使用硒靶产生由 2 到 9 个硒原子簇组成的束状等离子体，用于撞击预先生长的二硫化钨单层晶体。

成功创建双面单分子层的关键是用精确的能量轰击晶体。例如，向门扔一颗，它会从表面反弹。但是向门开枪，会直接穿过。将硒簇仅植入单层的顶部就像射击一扇门并让停止在其表面。

“调整并不容易，”Geohegan 说。最快的硒簇，每个原子的能量为 42 电子伏特 (eV)，撕裂了单层;它们需要可控地减慢以植入顶层。

“这篇论文的新内容是我们正在使用如此低的能量，”林说。“人们从未探索过每个原子低于 10 eV 的机制，因为商业离子源最多只能降到 50 eV，并且不允许您选择想要使用的原子。然而，脉冲激光沉积让我们可以选择原子和相当容易地探索这个能量范围。”

林说，调整动能的关键是通过在压力控制室中添加氩气来可控地减慢硒团簇的速度。限制动能将原子级薄层的渗透限制在特定深度。以低能量注入原子团脉冲会暂时挤占和移动一个区域中的原子，从而导致晶格中的局部缺陷和无序。Geohegan 解释说：“然后晶体会弹出额外的原子来自我修复并重新结晶成有序的晶格。” 一遍又一遍地重复这种植入和愈合过程，可以将顶层中的硒含量增加到 100%，以完成高质量 Janus 单层的形成。

在这种低动能状态下可控地注入和重结晶二维材料是制造二维量子材料的新途径。“Janus 结构可以在半导体电子集成所需的低温下在几分钟内制成，”林说，为生产线制造铺平了道路。接下来，研究人员想尝试在可用于大规模生产的柔性基板(例如塑料)上制造 Janus 单层。

为了证明他们已经实现了 Janus 结构，田纳西大学诺克斯维尔分校的 Chenze Liu 和 Gerd Duscher 以及 ORNL 的 Matthew Chisholm 使用高分辨率电子显微镜检查倾斜的晶体，以确定哪些原子位于顶层(硒)与底层(硫)。

然而，了解该过程如何用更大的硒原子取代硫原子——一项能量上的困难壮举——是一个挑战。ORNL 的 Mina Yoon 在橡树岭领导计算设施(ORNL 的 DOE 科学用户设施办公室)使用超级计算机，使用第一性原理从理论计算这场艰苦战斗的能量动态。

此外，科学家们需要了解能量如何从簇转移到晶格以产生局部缺陷。通过分子动力学模拟，ORNL 的 Eva Zarkadoula 展示了硒原子簇以不同的能量与单层碰撞，或者从它反弹、撞穿或植入——与实验结果一致。

为了进一步证实 Janus 结构，ORNL 研究人员通过计算其振动模式并进行拉曼光谱和 X 射线光电子光谱实验，证明了结构具有预测特性。

为了理解羽流是由簇组成的，科学家们使用光谱学和质谱法的组合来测量分子质量和速度。总之，理论和实验表明每个原子 3 到 5 eV 是精确注入以形成 Janus 结构的最佳能量。

论文的标题是“低能注入过渡金属二硫属化物单层以形成 Janus 结构”。

标签： 双面纳米材料