فرایند “دو رو’ نانومواد ممکن است کمک انرژی, اطلاعات, فناوری

IMAGE

تصویر: سلنیوم اتم, نمایندگی, نارنجی, ایمپلنت در یک تک لايه از تنگستن آبی و زرد گوگرد به شکل یک ادم لایه. در پس زمینه ميکروسکوپ الکترونی اتمی تایید موقعیت. مشاهده بیشتر

اعتبار: Oak Ridge National Laboratory, U. s. Dept. انرژی

یک تیم به رهبری توسط دپارتمان انرژی آزمایشگاه ملی اوک ریج با استفاده از یک فرآیند ساده برای ایمپلنت اتم دقیقا به بالای لایه فوق العاده نازک کریستال بازده دو طرفه سازه های مختلف با ترکیبات شیمیایی. در نتیجه مواد شناخته شده به عنوان ادم سازه پس از دو رو روم خدا ممکن است اثبات مفید در توسعه انرژی و فن آوری اطلاعات.

“ما در حال جابجایی و جایگزینی تنها بالاترین اتم ها در یک لایه است که تنها سه اتم ضخامت و هنگامی که ما انجام داده ایم زیبا Janus monolayer که در آن تمام اتم ها در بالای سلنیوم با تنگستن در وسط و گوگرد در پایین” گفت: ORNL دیوید Geohegan نویسنده ارشد این مطالعه که منتشر شده است در ACS Nano, مجله American Chemical Society. “این اولین بار است که Janus 2D کریستال ساخته شده است توسط یک فرآیند ساده است.”

یو-Chuan Lin سابق ORNL همکار فوق دکترا که رهبری این مطالعه افزود: “Janus monolayers جالب مواد چرا که آنها دائم و دو قطبی لحظه ای در 2D فرم که اجازه می دهد تا آنها را به هزینه جداگانه ای برای برنامه های کاربردی اعم از فتوولتائیک به اطلاعات کوانتومی. با این تکنیک ساده ما می های مختلف اتم ها در بالا و یا پایین از لایه های مختلف برای کشف انواع دیگر دو رو سازه.”

این مطالعه جستوجو کرد 2D مواد به نام انتقال فلز dichalcogenides یا TMDs که ارزش خود را برای الکتریکی و نوری و خواص مکانیکی. تنظیم ترکیب خود را ممکن است بهبود توانایی های خود را به به اتهام کاتالیز واکنش های شیمیایی و یا تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و بالعکس.

یک TMD لایه ساخته شده است یک طبقه از انتقال فلز اتم مانند تنگستن و یا مولیبدن و ساندویچ بین plies از chalcogen اتم مانند گوگرد و یا سلنیوم است. یک دی سولفید مولیبدن تک لايه به عنوان مثال ویژگی های مولیبدن اتم ها بین لایه از اتمهای گوگرد ساختاری شبیه به یک ساندویچ کوکی با کرمی مرکز بین دو ویفر شکلات. جایگزینی یک طرف اتم گوگرد با سلنیوم اتم تولید Janus monolayer شبیه به مبادله یکی از ویفر شکلات با وانیل یک.

قبل از این مطالعه تبدیل TMD تک لايه به دو رو ساختار بیشتر نظری feat از واقعی تجربی موفقیت. در بسیاری از مقالات علمی در مورد Janus monolayers منتشر شده پس از سال 2017, 60 گزارش پیش بینی های نظری و تنها دو توصیف آزمایشات به سنتز آنها با توجه به لین. این نشان دهنده مشکل در ساخت Janus monolayers با توجه به انرژی قابل توجهی از موانع است که جلوگیری از رشد خود را با روش معمولی.

در سال 2015 ORNL گروه کشف شده است که ليزر پالسی می تواند تبدیل مولیبدن diselenide به دی سولفید مولیبدن. در مرکز Nanophase مواد, علوم, وزارت نیرو از علوم کاربر تسهیلات در ORNL پالس لیزر رسوب یک روش حیاتی برای توسعه کوانتومی مواد.

“ما این باورند که با کنترل انرژی جنبشی اتم های ما می تواند انها را در یک monolayer اما ما هرگز فکر ما می تواند رسیدن به چنین نفیس کنترل” Geohegan گفت. “تنها با atomistic محاسباتی مدلسازی و ميکروسکوپ الکترونی در ORNL بودند ما قادر به درک چگونه به ایمپلنت فقط کسری از یک monolayer که شگفت انگیز است.”

این روش با استفاده از یک پالس لیزر برای تبخیر یک هدف جامد به یک پلاسما که گسترش از هدف به سمت یک بستر. این مطالعه با استفاده از سلنیوم هدف برای تولید یک پرتو-مانند پلاسما از خوشه دو تا نه سلنیوم اتم که کارگردانی به اعتصاب قبل از رشد تنگستن دی سولفید monolayer کریستال.

کلید موفقیت در ایجاد دو رو monolayers است بمباران کریستال با یک مقدار دقیق انرژی است. پرتاب یک گلوله در یک درب برای مثال و آن پرش کردن سطح. اما شلیک و گلوله ریپ حق را از طریق. گذاشتن سلنیوم خوشه به تنها بالای تک لايه است مانند تیراندازی یک درب و داشتن گلوله متوقف در سطح آن است.

“این آسان نیست به لحن خود را گلوله” Geohegan گفت. سریعترین سلنیوم خوشه با انرژی از 42 الکترون ولت (eV) در هر اتم پاره پاره از طریق monolayer; آنها نیاز به controllably آهسته به ایمپلنت به طبقه بالا.

“چه خبر از این مقاله ما با استفاده از چنین کم انرژی” گفت: Lin. “مردم هرگز مورد بررسی رژیم زیر 10 eV هر اتم به دلیل تجاری یون منابع تنها به 50 eV در بهترین و اجازه نمی دهد شما را به انتخاب اتم شما می خواهم به استفاده از. اما ليزر پالسی اجازه می دهد تا ما را انتخاب کنید اتم و کشف این انرژی طیف نسبتا به آسانی.”

کلید تنظیم انرژی جنبشی Lin گفت: به controllably آهسته سلنیوم خوشه با اضافه کردن گاز آرگون در فشار-کنترل مجلسی. محدود کردن انرژی جنبشی محدود نفوذ اتمی لایه های نازک به خاص اعماق. تزریق یک پالس از اتم خوشه در پایین انرژی به طور موقت جمعیت و جابجا اتم در یک منطقه باعث محلی نقص و اختلال در شبکه بلور. “کریستال سپس خارج اضافی اتم به التیام و recrystallizes به طور منظم شبکه” Geohegan توضیح داد. تکرار این لانه گزینی و بهبود فرایند و بیش از بیش افزایش می دهد سلنیوم کسری در لایه بالا به 100% کامل تشکیل یک با کیفیت بالا Janus monolayer.

Controllably گذاشتن و recrystallizing 2D مواد در این پایین-جنبشی-انرژی رژیم است یک راه جدید برای ساخت 2D کوانتومی مواد. “Janus سازه را می توان در صرف دقیقه در دماهای پایین مورد نیاز برای نیمه هادی الکترونیکی یکپارچه” Lin گفت: هموار کردن راه برای تولید-خط تولید. بعدی محققان می خواهید به سعی کنید ساخت Janus monolayers روی بسترهای انعطاف پذیر مفید در تولید انبوه مانند پلاستیک.

برای اثبات که آنها تا به حال به دست یک ادم ساختار Chenze لیو و Gerd Duscher هر دو از دانشگاه تنسی ناکسویل و متی Chisholm از ORNL با استفاده از وضوح بالا از میکروسکوپ الکترونی برای بررسی یک کج کریستال برای شناسایی که اتم در لایه بالا (سلنیوم) در مقابل لایه های پایین (گوگرد).

اما درک این که چگونه این فرایند جایگزین اتم گوگرد با بزرگتر سلنیوم اتم — یک انرژی دشوار است feat — یک چالش بود. ORNL را مینا یون با استفاده از ابر رایانه ها در اووک ریج رهبری محاسبات تاسیسات وزارت نیرو از علوم کاربر تسهیلات در ORNL برای محاسبه انرژی پویایی این نبرد دشوار از تئوری با استفاده از اصول اول است.

بیشتر دانشمندان نیاز به درک چگونه انرژی منتقل شده از خوشه به شبکه برای ایجاد محلی نقص. با دینامیک مولکولی شبیه سازی ORNL را اوا Zarkadoula نشان داد که خوشه از سلنیوم اتم برخورد با تک لايه در انرژی های مختلف و یا گزاف گویی کردن آن سقوط را از طریق آن و یا ایمپلنت در آن-مطابق با نتایج تجربی.

بیشتر تایید Janus ساختار ORNL محققان ثابت سازه های پیش بینی کرده بود ویژگی محاسبه ارتعاشی خود را حالت و انجام طیف سنجی رامان و X-ray طیف سنجی فوتوالکترون آزمایش.

به درک که پر شده بود از خوشه دانشمندان با استفاده از ترکیبی از طیف سنجی نوری و اسپکترومتری جرمی برای اندازه گیری مولکولی توده ها و سرعت. هم نظریه و آزمایش نشان داد 3 تا 5 eV هر اتم بود بهینه انرژی به صورت دقیق لانه گزینی به صورت Janus سازه.

###

عنوان مقاله “کم انرژی لانه گزینی به انتقال فلز dichalcogenide monolayers به شکل Janus سازه.”

سازمان حفاظت محیط زیست از علم حمایت از سنتز علم ميکروسکوپ الکترونی و مطالعات محاسباتی. این پژوهش به عنوان یک کاربر پروژه در مرکز Nanophase مواد علوم و با استفاده از منابع اوک ریج رهبری محاسبات تاسیسات; هر دو سازمان حفاظت محیط زیست از علوم کاربر امکانات در ORNL.

UT-Battelle مدیریت ORNL برای سازمان حفاظت محیط زیست را از علم است. بزرگترین حمایت از تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده از علم است که کار به آدرس برخی از مبرم ترین چالش های زمان ما. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید https://www.انرژی.gov/علم.