纳米材料过程可以帮助能量，信息技术发展

由能源部领导的团队橡树岭国家实验室用简单的方法精确地植入原子的超薄晶体的顶层，产生具有不同化学组成的双面结构。在双面罗马上帝之后，所得材料称为Janus结构，可能在开发能源和信息技术方面是有用的。

“We’re displacing and replacing only the topmost atoms in a layer that is only three atoms thick, and when we’re done, we have a beautiful Janus monolayer where all the atoms in the top are selenium, with tungsten in the middle and sulfur in the bottom,” said ORNL’s David Geohegan, senior author of the study, which is发表在ACS nano，美国化学学会杂志。“这是Janus 2D晶体首次由这种简单的过程制造的。”

玉川林，前奥尔姆博士后研究研究，补充说，“Janus Monolayers是有趣的材料，因为它们具有2D形式的永久偶极力矩，这使得它们可以将从光伏的应用程序分离到量子信息。通过这种直接的技术，我们可以将不同的原子放在不同层的顶部或底部，以探索各种其他两面结构。“

该研究探测称为过渡金属二甲基甲基化物或TMDS的2D材料，其受重量的电气，光学和机械性能。调整它们的组合物可以改善它们的能力来分离充电，催化化学反应或将机械能转化为电能，反之亦然。

单个TMD层由过渡金属原子的帘布层制成，例如钨或钼，夹在硫致原子等硫代或硒之间。例如，二硫化钼单层在硫原子的层之间具有钼原子，在结构上类似于夹层饼干，其中两个巧克力晶片之间的乳脂状。用硒原子取代一方的硫原子产生Janus单层，类似于将其中一个巧克力晶片与香草晶片交换。

在这项研究之前，将TMD单层转化为双面结构更具理论壮举，而不是实际的实验性成就。根据2017年以来，关于Janus Monolayers的许多科学论文，根据LIN的60次报告了60次报告的理论预测，只有两个描述的实验合成它们。这反映了由于通过典型方法来防止其生长的显着能障，因此反映了Janus Monolayers的困难。

2015年，ORNL组发现脉冲激光沉积可以将钼混合转化为二硫化钼。当纳菲材料科学中心脉冲激光沉积在ORNL的SOP用户设施的DOE办公室是一种用于开发量子材料的重要技术。

“我们推测，通过控制原子的动能，我们可以将它们植入单层，但我们从未认为我们可以实现这种精湛的控制，”地霍安说。“只有在ornl的原子计算建模和电子显微镜下，我们只能了解如何植入一部分单层，这是惊人的。”

该方法使用脉冲激光蒸发固体靶向热等离子体，该热等离子体从靶向朝向基板膨胀。该研究使用硒靶产生两至九个硒原子的簇的束状等离子体，其被引导撞击预先生长的钨二硫化物单层晶体。

成功制造双面单分子膜的关键是用精确的能量轰击晶体。例如，往门上扔一颗子弹，它就会从表面弹开。但如果你一开枪，子弹就会直接穿门而过。只在单层膜的顶部植入硒团，就像射击一扇门，让子弹在它的表面停止。

“调整你的子弹并不容易。速度最快的硒团簇，每个原子能量为42电子伏(eV)，穿过单层膜;它们需要控制速度才能植入顶板。

“从本文中有什么新的是我们正在使用这种低能量，”林说。“人们从未探索过以下10 EV的政权，因为商业离子来源最多只能下降到50 EV，不要让您选择要使用的原子。然而，脉冲激光沉积让我们选择原子并轻松探索这种能量范围。“

调整动能的关键是通过在压力控制室中添加氩气来控制地慢慢减慢硒簇。限制动能将原子薄层的渗透限制为特定深度。在低能量下喷射原子簇的脉冲暂时的人群和在区域中取代原子，在晶格中引起局部缺陷和病症。“晶体然后喷射额外的原子以愈合并重新结晶化为有序的格子，”地质贺南解释说。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分数增加到100％以完成高质量Janus单层的形成。

在这种低动力学 - 能量方案中可控地植入和重结晶2D材料是制造2D量子材料的新道路。“Janus结构可以在半导体电子整合所需的低温下进行，”林说，为生产线制造铺平了道路。接下来，研究人员希望尝试在柔性基板上制作Janus Monolayers，例如批量生产，如塑料。

为了证明他们已经取得了Janus结构，Chenze Liu和Gerd Duscher，田纳西大学，诺克斯维尔和Matthew Chisholm的Ornl使用的高分辨率电子显微镜检查，检查倾斜的晶体以识别哪个原子在顶层（硒）与底层（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——这在精力上是一个困难的壮举——是一个挑战。橡树岭国家实验室的米娜·尹在橡木岭领导计算机计算设施是Ornl的一家科学用户设施的Doe办事处，以计算这种Uphill战斗的能量动态，使用第一原理。

此外，科学家需要了解如何从集群转移到格子以创造当地缺陷的能量。通过分子动力学模拟，Ornl的Eva Zarkadoula显示硒原子的簇与不同能量的单层碰撞，并反弹它，通过它或植入它 - 与实验结果一致。

为了进一步证实Janus结构，ORNL的研究人员通过计算其振动模式并进行拉曼光谱和x射线光电子能谱实验，证明结构预测了其特征。

为了了解羽流是由星团组成的，科学家们使用了光谱学和质谱学的结合来测量分子的质量和速度。理论和实验表明，每个原子3 ~ 5ev是精确注入形成Janus结构的最佳能量。

- 由Chris Vavra，Associate Editor编辑，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com.。