作者:道恩·M·利维，橡树岭国家实验室 骏利单层膜的顶部和底部有不同的原子，就像材料科学家于拿着的三明治曲奇一样
荣誉:美国橡树岭国家实验室
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能量的 由能源部橡树岭国家实验室领导的一个小组使用一个简单的过程将原子精确地植入晶体的顶层，产生具有不同化学成分的双面结构
由此产生的材料，以双面罗马神的名字命名为骏利结构，可能被证明在开发能源和信息技术方面有用
该研究的资深作者、ORNL的大卫·吉奥赫根说:“我们只置换和替换了只有三个原子厚的层中最顶层的原子，当我们完成后，我们就有了一个美丽的骏利单层，其中顶层的所有原子都是硒，钨在中间，硫在底部。”该研究发表在美国化学学会杂志《美国化学学会纳米》上
“这是第一次通过如此简单的工艺制造出骏利二维晶体
" 领导这项研究的前博士后余补充说:“亚努斯单层膜是一种有趣的材料，因为它们具有二维形式的永久偶极矩，这使得它们能够在从光伏到量子信息的应用中分离电荷
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，以探索各种其他双面结构
" 这项研究探讨了被称为过渡金属二元化合物的二维材料，它们的电学、光学和机械性能都很有价值
调整它们的组成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层由夹在硫族原子层(如硫或硒)之间的过渡金属原子层(如钨或钼)制成
例如，二硫化钼单层以硫原子层之间的钼原子为特征，其结构类似于夹心饼干，在两块巧克力薄片之间有一个奶油中心
用硒原子替换一侧的硫原子，产生一个骏利单层，类似于用香草薄饼替换一块巧克力薄饼
在这项研究之前，将TMD单层转化为双面结构更多的是理论上的壮举，而不是实际的实验成就
林说，自2017年以来发表的许多关于骏利单层膜的科学论文中，有60篇报道了理论预测，只有两篇描述了合成它们的实验
这反映了制作骏利单层膜的困难，因为显著的能量屏障阻止了它们通过典型的方法生长
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
在纳米材料科学中心，ORNL的美国能源部科学用户办公室，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能实现如此精细的控制，”吉奥赫根说
“只有在ORNL的原子计算模型和电子显微镜下，我们才能够理解如何只植入单层的一小部分，这很神奇
" 该方法使用脉冲激光将固体靶蒸发成热等离子体，该等离子体从靶向衬底膨胀
这项研究使用一个硒靶来产生一个由2到9个硒原子组成的束状等离子体，其目的是撞击预先生长的二硫化钨单层晶体
成功创建双面单层的关键是用精确的能量轰击晶体
例如，向门扔一颗子弹，它就会弹离地面
但是开枪的话子弹会直接穿过门
仅在单层的顶部植入硒团就像射向一扇门，让子弹停在它的表面
以橙色为代表的硒原子植入蓝色钨和黄色硫的单层中，形成一个骏利层
在背景中，电子显微镜证实了原子的位置
信用:美国橡树岭国家实验室
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能量的 “调整你的子弹并不容易，”杰赫根说
速度最快的硒团簇，每个原子的能量为42电子伏，穿透了单层；它们需要可控地减速以植入顶层
“这篇论文的新发现是我们使用了如此低的能量，”林说
“人们从未探索过每个原子低于10电子伏的机制，因为商业离子源最多只能达到50电子伏，而且不允许你选择你想要使用的原子
然而，脉冲激光沉积让我们可以很容易地选择原子和探索这个能量范围
" 林说，调整动能的关键是通过在压力控制室中加入氩气来可控地减缓硒团簇
限制动能将原子薄层的穿透限制在特定深度
注入低能原子簇脉冲会暂时挤压和取代一个区域中的原子，导致晶格中的局部缺陷和无序
“然后晶体喷射出额外的原子自我修复，再结晶成有序的晶格，”杰赫根解释道
反复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%，以完成高质量骏利单层的形成
在这种低动能区可控注入和再结晶二维材料是制造二维量子材料的新途径
“在半导体电子集成所需的低温条件下，骏利结构只需几分钟就可以制造出来，”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底上制作骏利单层膜，例如塑料
为了证明他们已经获得了一个骏利结构，田纳西大学诺克斯维尔分校的陈泽·刘和格德·杜舍尔以及ORNL大学的马修·齐索姆使用高分辨率电子显微镜检查了一个倾斜的晶体，以确定哪些原子在顶层(硒)而不是底层(硫)
然而，理解这个过程是如何用更大的硒原子取代硫原子的——这是一个能量上的困难——是一个挑战
ORNL的米娜·尹(Mina Yoon)使用位于ORNL的美国能源部科学办公室用户设施——橡树岭领导计算设施的超级计算机，利用第一性原理从理论上计算这场艰苦战斗的能量动力学
此外，科学家需要了解能量是如何从团簇转移到晶格中，从而产生局部缺陷的
通过分子动力学模拟，ORNL的伊娃·扎卡杜拉展示了硒原子簇以不同的能量与单层碰撞，或者从单层上弹开，或者穿过单层，或者植入单层——与实验结果一致
为了进一步证实骏利的结构，ORNL的研究人员通过计算它们的振动模式和进行拉曼光谱和x光电子能谱实验来证明结构具有预测的特征
为了理解羽流是由星团组成的，科学家们使用了光谱和质谱相结合的方法来测量分子质量和速度
综合起来，理论和实验表明每个原子3到5电子伏是精确注入形成骏利结构的最佳能量
这篇论文的题目是“低能注入过渡金属二元单分子层形成骏利结构
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