Une équipe dirigée par le Laboratoire national d’Oak Ridge du Département de l’énergie a utilisé un processus simple pour implanter des atomes précisément dans les couches supérieures de cristaux extremely-minces, produisant des structures à deux faces avec différentes compositions chimiques. Les matériaux résultants, connus sous le nom de buildings Janus d’après le dieu romain à deux faces, peuvent s’avérer utiles dans le développement des systems de l’énergie et de l’information.



« Nous déplaçons et remplaçons uniquement les atomes les additionally hauts dans une couche qui n’a que trois atomes d’épaisseur, et quand nous avons terminé, nous avons une belle monocouche Janus où tous les atomes en haut sont du sélénium, avec du tungstène au milieu et du soufre dans le fond « , a déclaré David Geohegan, de l’ORNL, auteur principal de l’étude, qui est publiée dans ACS Nano, une revue de l’American Chemical Culture. « C’est la première fois que des cristaux 2D Janus sont fabriqués par un processus aussi simple. »

Yu-Chuan Lin, un ancien boursier postdoctoral de l’ORNL qui a dirigé l’étude, a ajouté: « Les monocouches Janus sont des matériaux intéressants car or truck elles ont un minute dipolaire long lasting sous forme 2D Avec cette technique simple, nous pouvons placer différents atomes sur le dessus ou le dessous de différentes couches pour explorer une variété d’autres constructions à deux faces.  »



Cette étude a sondé des matériaux 2D appelés dichalcogénures de métaux de changeover, ou TMD, qui sont appréciés pour leurs propriétés électriques, optiques et mécaniques. Le réglage de leurs compositions peut améliorer leurs capacités à séparer la cost, catalyser les réactions chimiques ou convertir l’énergie mécanique en énergie électrique et vice versa.

Une seule couche de TMD est constituée d’un pli d’atomes de métaux de transition, tels que le tungstène ou le molybdène, pris en sandwich entre des plis d’atomes de chalcogène, tels que le soufre ou le sélénium. Une monocouche de bisulfure de molybdène, par exemple, présente des atomes de molybdène entre des plis d’atomes de soufre, structurellement similaires à un biscuit sandwich avec un centre crémeux entre deux tranches de chocolat. Le remplacement des atomes de soufre d’un côté par des atomes de sélénium produit une monocouche Janus, semblable à l’échange d’une des gaufrettes au chocolat avec une vanille.

Avant cette étude, la transformation d’une monocouche TMD en une structure à deux faces était plus un exploit théorique qu’un véritable accomplissement expérimental. Dans les nombreux content articles scientifiques sur les monocouches Janus publiés depuis 2017, 60 ont rapporté des prédictions théoriques et seulement deux ont décrit des expériences pour les synthétiser, selon Lin. Cela reflète la difficulté de fabriquer des monocouches Janus en raison des barrières énergétiques importantes qui empêchent leur croissance par des méthodes typiques.

En 2015, le groupe ORNL a découvert qu’un dépôt laser pulsé pouvait convertir le diséléniure de molybdène en disulfure de molybdène. Au Centre for Nanophase Materials Sciences, une installation utilisateur du DOE Workplace of Science à l’ORNL, le dépôt laser pulsé est une technique critique pour le développement de matériaux quantiques.

« Nous avons spéculé qu’en contrôlant l’énergie cinétique des atomes, nous pourrions les implanter dans une monocouche, mais nous n’avons jamais pensé que nous pourrions obtenir un contrôle aussi exquis », a déclaré Geohegan. « Ce n’est qu’avec la modélisation informatique atomistique et la microscopie électronique à l’ORNL que nous avons pu comprendre remark implanter seulement une fraction d’une monocouche, ce qui est incroyable. »

Le procédé utilise un laser pulsé pour vaporiser une cible solide dans un plasma chaud, qui se dilate de la cible vers un substrat. Cette étude a utilisé une cible de sélénium pour produire un plasma semblable à un faisceau d’amas de deux à neuf atomes de sélénium, qui visaient à frapper des cristaux monocouches de disulfure de tungstène pré-cultivés.

La clé du succès dans la création de monocouches à deux faces est de bombarder les cristaux avec une quantité précise d’énergie. Jetez une balle sur une porte, par exemple, et elle rebondit sur la area. Mais tirez sur la porte et la balle se déchire. Implanter des amas de sélénium uniquement dans le haut de la monocouche, c’est comme tirer sur une porte et avoir la balle à sa area.

« Ce n’est pas facile de régler vos balles », a déclaré Geohegan. Les amas de sélénium les additionally rapides, avec des énergies de 42 électrons volts (eV) par atome, ont déchiré la monocouche ils devaient être ralentis de façon contrôlable pour s’implanter dans la couche supérieure.

« Ce qui est nouveau dans ce document, c’est que nous utilisons des énergies aussi faibles », a déclaré Lin. « Les gens n’ont jamais exploré le régime en dessous de 10 eV par atome, automobile les resources d’ions commerciales ne descendent au mieux qu’à 50 eV et ne vous permettent pas de choisir les atomes que vous souhaitez utiliser. Cependant, le dépôt laser pulsé nous permet de choisir les atomes et explorer cette gamme d’énergie assez facilement.  »

La clé pour régler l’énergie cinétique, a déclaré Lin, est de ralentir de manière contrôlable les amas de sélénium en ajoutant de l’argon dans une chambre à pression contrôlée. La limitation de l’énergie cinétique limite la pénétration de couches atomiquement minces à des profondeurs spécifiques. L’injection d’une impulsion d’amas d’atomes à faible énergie encombre et déplace temporairement les atomes dans une région, provoquant des défauts locaux et des désordres dans le réseau cristallin. « Le cristal éjecte ensuite les atomes supplémentaires pour se guérir et recristallise en un réseau ordonné », a expliqué Geohegan. La répétition de ce processus d’implantation et de cicatrisation peut augmenter la fraction de sélénium dans la couche supérieure à 100% pour terminer la formation d’une monocouche Janus de haute qualité.

L’implantation et la recristallisation contrôlables de matériaux 2D dans ce régime à faible énergie cinétique est une nouvelle voie vers la fabrication de matériaux quantiques 2D. « Les constructions Janus peuvent être fabriquées en quelques minutes aux basses températures requises pour l’intégration électronique des semi-conducteurs », a déclaré Lin, ouvrant la voie à la fabrication sur la ligne de output. Ensuite, les chercheurs veulent essayer de fabriquer des monocouches Janus sur des substrats flexibles utiles dans la output de masse, tels que les plastiques.

Pour prouver qu’ils avaient atteint une structure Janus, Chenze Liu et Gerd Duscher, tous deux de l’Université du Tennessee, Knoxville, et Matthew Chisholm de l’ORNL ont utilisé la microscopie électronique à haute résolution pour examiner un cristal incliné afin d’identifier quels atomes se trouvaient dans la couche supérieure (sélénium) par rapport à la couche inférieure (soufre).

Cependant, comprendre comment le processus a remplacé les atomes de soufre par des atomes de sélénium plus gros – un exploit énergétiquement difficile – était un défi. Mina Yoon de l’ORNL a utilisé des superordinateurs à Oak Ridge Management Computing Facility, une set up utilisateur du DOE Office of Science à ORNL, pour calculer la dynamique énergétique de cette bataille difficile à partir de la théorie en utilisant les premiers principes.

De plus, les scientifiques devaient comprendre remark l’énergie transférée des grappes aux réseaux pour créer des défauts locaux. Avec des simulations de dynamique moléculaire, Eva Zarkadoula de l’ORNL a montré que des amas d’atomes de sélénium entrent en collision avec la monocouche à différentes énergies et rebondissent sur elle, la traversent ou s’y implantent – conformément aux résultats expérimentaux.

Pour confirmer davantage la composition de Janus

Pour comprendre que le panache était constitué d’amas, les scientifiques ont utilisé une combinaison de spectroscopie optique et de spectrométrie de masse pour mesurer les masses moléculaires et les vitesses. Ensemble, la théorie et l’expérience ont indiqué que 3 à 5 eV par atome étaient l’énergie optimale pour une implantation précise pour previous des structures Janus.