Un team guidato dall'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha utilizzato un semplice processo per impiantare atomi con precisione negli strati superiori di cristalli ultrasottili, producendo strutture a due lati con diverse composizioni chimiche. I materiali risultanti, note come strutture di Giano dal dio romano bifronte, può rivelarsi utile nello sviluppo delle tecnologie energetiche e dell'informazione.

"Stiamo spostando e sostituendo solo gli atomi più in alto in uno strato spesso solo tre atomi, e quando abbiamo finito, abbiamo un bellissimo monostrato Janus dove tutti gli atomi in alto sono selenio, con tungsteno nel mezzo e zolfo in basso, " ha detto David Geohegan di ORNL, autore senior dello studio, che è pubblicato in ACS Nano , una rivista dell'American Chemical Society. "Questa è la prima volta che i cristalli Janus 2-D sono stati fabbricati con un processo così semplice".

Yu Chuan Lin, un ex borsista dell'ORNL che ha guidato lo studio, aggiunto, "I monostrati Janus sono materiali interessanti perché hanno un momento di dipolo permanente in una forma 2-D, che consente loro di separare la carica per applicazioni che vanno dal fotovoltaico alle informazioni quantistiche. Con questa semplice tecnica, possiamo mettere atomi diversi sulla parte superiore o inferiore di diversi strati per esplorare una varietà di altre strutture a due facce".

Questo studio ha sondato materiali 2-D chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione, o TMD, che sono apprezzati per il loro elettrico, proprietà ottiche e meccaniche. La messa a punto delle loro composizioni può migliorare le loro capacità di separare la carica, catalizzare reazioni chimiche o convertire energia meccanica in energia elettrica e viceversa.

Un singolo strato TMD è costituito da uno strato di atomi di metalli di transizione, come tungsteno o molibdeno, racchiuso tra strati di atomi di calcogeno, come zolfo o selenio. Un monostrato di bisolfuro di molibdeno, Per esempio, presenta atomi di molibdeno tra strati di atomi di zolfo, strutturalmente simile a un biscotto sandwich con un centro cremoso tra due wafer al cioccolato. La sostituzione degli atomi di zolfo di un lato con atomi di selenio produce un monostrato di Janus, come scambiare uno dei wafer al cioccolato con uno alla vaniglia.

Prima di questo studio, trasformare un monostrato TMD in una struttura a due facce è stata più un'impresa teorica che una realizzazione sperimentale reale. Nei numerosi articoli scientifici sui monostrati Janus pubblicati dal 2017, 60 previsioni teoriche riportate e solo due esperimenti descritti per sintetizzarle, secondo Lin. Ciò riflette la difficoltà nel realizzare monostrati Janus a causa delle significative barriere energetiche che ne impediscono la crescita con metodi tipici.

Nel 2015, il gruppo ORNL ha scoperto che la deposizione laser pulsata potrebbe convertire il diseleniuro di molibdeno in bisolfuro di molibdeno. Presso il Centro per le scienze dei materiali nanofasici, un DOE Office of Science User Facility presso ORNL, la deposizione laser pulsata è una tecnica fondamentale per lo sviluppo di materiali quantistici.

"Abbiamo ipotizzato che controllando l'energia cinetica degli atomi, potremmo impiantarli in un monostrato, ma non avremmo mai pensato di poter ottenere un controllo così squisito, " ha detto Geohegan. "Solo con la modellazione computazionale atomistica e la microscopia elettronica all'ORNL siamo stati in grado di capire come impiantare solo una frazione di un monostrato, il che è incredibile".

Il metodo utilizza un laser pulsato per vaporizzare un bersaglio solido in un plasma caldo, che si espande dal bersaglio verso un substrato. Questo studio ha utilizzato un bersaglio di selenio per produrre un plasma simile a un fascio di cluster da due a nove atomi di selenio, che erano diretti a colpire i cristalli monostrato di disolfuro di tungsteno pre-cresciuti.

La chiave del successo nella creazione di monostrati bifacciali è bombardare i cristalli con una precisa quantità di energia. Lancia un proiettile contro una porta, Per esempio, e rimbalza sulla superficie. Ma spara alla porta e il proiettile lo squarcia. Impiantare ammassi di selenio solo nella parte superiore del monostrato è come sparare a una porta e far fermare il proiettile sulla sua superficie.

"Non è facile sintonizzare i tuoi proiettili, " disse Geohegan. Gli ammassi di selenio più veloci, con energie di 42 elettronvolt (eV) per atomo, strappato attraverso il monostrato; avevano bisogno di essere rallentati in modo controllabile per impiantarsi nello strato superiore.

"La novità di questo documento è che stiamo usando energie così basse, " ha detto Lin. "La gente non ha mai esplorato il regime al di sotto di 10 eV per atomo perché le sorgenti di ioni commerciali scendono solo a 50 eV al massimo e non ti permettono di scegliere gli atomi che vorresti usare. Però, la deposizione laser pulsata ci consente di scegliere gli atomi ed esplorare questa gamma di energia abbastanza facilmente".

La chiave per sintonizzare l'energia cinetica, Lin ha detto, consiste nel rallentare in modo controllabile i cluster di selenio aggiungendo gas argon in una camera a pressione controllata. La limitazione dell'energia cinetica limita la penetrazione di strati atomicamente sottili a profondità specifiche. L'iniezione di un impulso di ammassi atomici a bassa energia affolla e sposta temporaneamente gli atomi in una regione, causando difetti locali e disordine nel reticolo cristallino. "Il cristallo quindi espelle gli atomi in più per guarire se stesso e si ricristallizza in un reticolo ordinato, " ha spiegato Geohegan. Ripetere questo processo di impianto e guarigione più e più volte può aumentare la frazione di selenio nello strato superiore al 100% per completare la formazione di un monostrato di Janus di alta qualità.

L'impianto e la ricristallizzazione controllabili di materiali 2-D in questo regime a bassa energia cinetica è una nuova strada per creare materiali quantistici 2-D. "Le strutture Janus possono essere realizzate in pochi minuti alle basse temperature richieste per l'integrazione elettronica dei semiconduttori, "Lino ha detto, aprendo la strada alla produzione in linea di produzione. Successivamente i ricercatori vogliono provare a realizzare monostrati Janus su substrati flessibili utili nella produzione di massa, come le plastiche.

Per dimostrare che avevano raggiunto una struttura di Giano, Chenze Liu e Gerd Duscher, entrambi dell'Università del Tennessee, Knoxville, e Matthew Chisholm di ORNL hanno utilizzato la microscopia elettronica ad alta risoluzione per esaminare un cristallo inclinato per identificare quali atomi si trovavano nello strato superiore (selenio) rispetto allo strato inferiore (zolfo).

Però, capire come il processo ha sostituito gli atomi di zolfo con atomi di selenio più grandi - un'impresa energeticamente difficile - è stata una sfida. Mina Yoon dell'ORNL ha utilizzato i supercomputer presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE presso l'ORNL, per calcolare la dinamica energetica di questa battaglia in salita dalla teoria usando i primi principi.

Ulteriore, gli scienziati avevano bisogno di capire come l'energia si trasferisse dai cluster ai reticoli per creare difetti locali. Con simulazioni di dinamica molecolare, Eva Zarkadoula dell'ORNL ha mostrato che gruppi di atomi di selenio si scontrano con il monostrato a diverse energie e rimbalzano su di esso, sfondarlo o impiantarsi in esso, coerentemente con i risultati sperimentali.

Per confermare ulteriormente la struttura di Janus, I ricercatori dell'ORNL hanno dimostrato che le strutture avevano previsto le caratteristiche calcolando i loro modi vibrazionali e conducendo la spettroscopia Raman e gli esperimenti di spettroscopia fotoelettronica a raggi X.

Per capire che il pennacchio era fatto di grappoli, gli scienziati hanno utilizzato una combinazione di spettroscopia ottica e spettrometria di massa per misurare le masse e le velocità molecolari. Presi insieme, la teoria e l'esperimento indicavano da 3 a 5 eV per atomo come energia ottimale per un impianto preciso per formare strutture di Janus.

Il titolo dell'articolo è "Impianto a bassa energia in monostrati di dicalcogenuro di metalli di transizione per formare strutture Janus".