Une équipe dirigée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a utilisé un processus simple pour implanter des atomes avec précision dans les couches supérieures de cristaux ultra-minces, donnant des structures à deux faces avec des compositions chimiques différentes. Les matériaux résultants, connu sous le nom de structures Janus après le dieu romain à deux faces, peut s'avérer utile dans le développement des technologies de l'énergie et de l'information.

"Nous ne déplaçons et ne remplaçons que les atomes les plus élevés dans une couche qui n'a que trois atomes d'épaisseur, et quand on a fini, nous avons une belle monocouche de Janus où tous les atomes du haut sont du sélénium, avec du tungstène au milieu et du soufre au fond, " a déclaré David Geohegan de l'ORNL, auteur principal de l'étude, qui est publié dans ACS Nano , un journal de l'American Chemical Society. "C'est la première fois que des cristaux Janus 2-D sont fabriqués par un processus aussi simple."

Yu Chuan Lin, un ancien post-doctorant de l'ORNL qui a dirigé l'étude, ajoutée, "Les monocouches de Janus sont des matériaux intéressants car elles ont un moment dipolaire permanent sous une forme 2-D, ce qui leur permet de séparer les charges pour des applications allant du photovoltaïque à l'information quantique. Avec cette technique simple, nous pouvons placer différents atomes en haut ou en bas de différentes couches pour explorer une variété d'autres structures à deux faces."

Cette étude a sondé des matériaux 2D appelés dichalcogénures de métaux de transition, ou TMD, appréciés pour leur électricité, propriétés optiques et mécaniques. Le réglage de leurs compositions peut améliorer leurs capacités à séparer les charges, catalyser des réactions chimiques ou convertir l'énergie mécanique en énergie électrique et vice versa.

Une seule couche TMD est constituée d'un pli d'atomes de métaux de transition, comme le tungstène ou le molybdène, pris en sandwich entre des couches d'atomes de chalcogène, comme le soufre ou le sélénium. Une monocouche de bisulfure de molybdène, par exemple, comporte des atomes de molybdène entre des couches d'atomes de soufre, structurellement similaire à un biscuit sandwich avec un centre crémeux entre deux gaufrettes au chocolat. Le remplacement des atomes de soufre d'un côté par des atomes de sélénium produit une monocouche de Janus, s'apparente à échanger l'une des gaufrettes au chocolat avec une à la vanille.

Avant cette étude, transformer une monocouche TMD en une structure à deux faces était plus un exploit théorique qu'une réalisation expérimentale réelle. Dans les nombreux articles scientifiques sur les monocouches Janus publiés depuis 2017, 60 prédictions théoriques rapportées et seulement deux expériences décrites 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 que le dépôt par laser pulsé pouvait convertir le diséléniure de molybdène en bisulfure de molybdène. Au Centre des sciences des matériaux en nanophase, une installation utilisateur du DOE Office of Science à l'ORNL, Le dépôt par laser pulsé est une technique critique pour le développement de matériaux quantiques.

"Nous avons supposé qu'en contrôlant l'énergie cinétique des atomes, on pourrait les implanter en monocouche, mais nous n'avons jamais pensé que nous pourrions atteindre 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 comment implanter juste une fraction d'une monocouche, ce qui est incroyable."

Le procédé utilise un laser pulsé pour vaporiser une cible solide en un plasma chaud, qui s'étend 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 il rebondit sur la surface. Mais tirez sur la porte et la balle passe à travers. Implanter des amas de sélénium uniquement dans le haut de la monocouche, c'est comme tirer sur une porte et que la balle s'arrête à sa surface.

"Ce n'est pas facile de régler ses balles, " a déclaré Geohegan. Les clusters de sélénium les plus rapides, avec des énergies de 42 électron-volts (eV) par atome, déchiré à travers la monocouche; ils devaient être ralentis de manière contrôlée pour s'implanter dans le pli supérieur.

"La nouveauté de cet article est que nous utilisons des énergies si basses, " a déclaré Lin. "Les gens n'ont jamais exploré le régime en dessous de 10 eV par atome parce que les sources d'ions commerciales ne descendent qu'à 50 eV au mieux et ne vous permettent pas de choisir les atomes que vous souhaitez utiliser. Cependant, Le dépôt par laser pulsé nous permet de choisir les atomes et d'explorer assez facilement cette gamme d'énergie."

La clé pour régler l'énergie cinétique, Lin a dit, est de ralentir de manière contrôlée les amas de sélénium en ajoutant du gaz argon dans une chambre à pression contrôlée. La limitation de l'énergie cinétique restreint la pénétration de couches atomiquement minces à des profondeurs spécifiques. L'injection d'une impulsion d'amas d'atomes à basse énergie entasse 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. Répéter ce processus d'implantation et de cicatrisation encore et encore peut augmenter la fraction de sélénium dans la couche supérieure à 100 % pour achever la formation d'une monocouche Janus de haute qualité.

L'implantation et la recristallisation contrôlées de matériaux 2D dans ce régime à faible énergie cinétique est une nouvelle voie vers la fabrication de matériaux quantiques 2D. "Les structures Janus peuvent être fabriquées en quelques minutes aux basses températures requises pour l'intégration électronique des semi-conducteurs, " Lin a dit, ouvrant la voie à la fabrication à la chaîne. Ensuite, les chercheurs veulent essayer de fabriquer des monocouches Janus sur des substrats flexibles utiles dans la production de masse, comme les plastiques.

Pour prouver qu'ils avaient atteint une structure de 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 Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science à l'ORNL, calculer la dynamique énergétique de cette bataille difficile à partir de la théorie en utilisant les premiers principes.

Plus loin, les scientifiques devaient comprendre comment l'énergie était transférée des clusters 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 dessus, s'écraser dessus ou s'implanter dedans—conformément aux résultats expérimentaux.

Pour confirmer davantage la structure de Janus, Les chercheurs de l'ORNL ont prouvé que les structures avaient des caractéristiques prédites en calculant leurs modes vibrationnels et en menant des expériences de spectroscopie Raman et de spectroscopie photoélectronique aux rayons X.

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

Le titre de l'article est "Implantation à basse énergie dans des monocouches de dichalcogénure de métal de transition pour former des structures Janus".