p Uma equipe liderada pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia usou um processo simples para implantar átomos precisamente nas camadas superiores de cristais ultrafinos, produzindo estruturas de dois lados com diferentes composições químicas. Os materiais resultantes, conhecidas como estruturas de Janus, em homenagem ao deus romano de duas faces, pode ser útil no desenvolvimento de tecnologias de energia e informação. p "Estamos deslocando e substituindo apenas os átomos superiores em uma camada com apenas três átomos de espessura, e quando terminarmos, temos uma bela monocamada de Janus onde todos os átomos no topo são selênio, com tungstênio no meio e enxofre no fundo, "disse David Geohegan do ORNL, autor sênior do estudo, que é publicado em ACS Nano , um jornal da American Chemical Society. "Esta é a primeira vez que os cristais Janus 2-D foram fabricados por um processo tão simples."

p Yu-Chuan Lin, um ex-bolsista de pós-doutorado do ORNL que liderou o estudo, adicionado, "Monocamadas de Janus são materiais interessantes porque têm um momento de dipolo permanente em uma forma 2-D, o que lhes permite separar a carga para aplicações que variam de fotovoltaica a informação quântica. Com esta técnica simples, podemos colocar átomos diferentes na parte superior ou inferior de camadas diferentes para explorar uma variedade de outras estruturas de duas faces. "

p Este estudo investigou materiais 2-D chamados dichalcogenetos de metais de transição, ou TMDs, que são valorizados por sua eletricidade, propriedades ópticas e mecânicas. Ajustar suas composições pode melhorar suas habilidades de separar cargas, catalisar reações químicas ou converter energia mecânica em energia elétrica e vice-versa.

p Uma única camada TMD é feita de uma camada de átomos de metal de transição, como tungstênio ou molibdênio, imprensado entre camadas de átomos de calcogênio, como enxofre ou selênio. Uma monocamada de dissulfeto de molibdênio, por exemplo, apresenta átomos de molibdênio entre camadas de átomos de enxofre, estruturalmente semelhante a um biscoito recheado com um centro cremoso entre duas bolachas de chocolate. Substituir os átomos de enxofre de um lado por átomos de selênio produz uma monocamada de Janus, semelhante a trocar uma das bolachas de chocolate por uma de baunilha.

p Antes deste estudo, transformar uma monocamada TMD em uma estrutura de duas faces foi mais um feito teórico do que uma realização experimental real. Nos muitos artigos científicos sobre monocamadas de Janus publicados desde 2017, 60 relataram previsões teóricas e apenas dois experimentos descritos para sintetizá-los, de acordo com Lin. Isso reflete a dificuldade em fazer monocamadas Janus devido às barreiras de energia significativas que impedem seu crescimento por métodos típicos.

p Em 2015, o grupo ORNL descobriu que a deposição de laser pulsado poderia converter disseleneto de molibdênio em dissulfeto de molibdênio. No Center for Nanophase Materials Sciences, um DOE Office of Science User Facility em ORNL, deposição de laser pulsado é uma técnica crítica para o desenvolvimento de materiais quânticos.

p "Especulamos que, ao controlar a energia cinética dos átomos, poderíamos implantá-los em uma monocamada, mas nunca pensamos que poderíamos alcançar um controle tão requintado, "Geohegan disse." Somente com modelagem computacional atomística e microscopia eletrônica no ORNL fomos capazes de entender como implantar apenas uma fração de uma monocamada, o que é incrível. "

p O método usa um laser pulsado para vaporizar um alvo sólido em um plasma quente, que se expande do alvo em direção a um substrato. Este estudo usou um alvo de selênio para produzir um plasma semelhante a um feixe de aglomerados de dois a nove átomos de selênio, que foram direcionados para atingir cristais de monocamada de dissulfeto de tungstênio pré-crescidos.

p A chave para o sucesso na criação de monocamadas de duas faces é bombardear os cristais com uma quantidade precisa de energia. Jogue uma bala na porta, por exemplo, e rebate na superfície. Mas atire na porta e a bala irá atravessar. Implantar aglomerados de selênio apenas na parte superior da monocamada é como atirar em uma porta e fazer a bala parar em sua superfície.

p "Não é fácil ajustar suas balas, "Geohegan disse. Os aglomerados de selênio mais rápidos, com energias de 42 elétron-volts (eV) por átomo, rasgado através da monocamada; eles precisavam ser controlados mais lentamente para serem implantados na camada superior.

p "O que há de novo neste artigo é que estamos usando energias tão baixas, "disse Lin." As pessoas nunca exploraram o regime abaixo de 10 eV por átomo porque as fontes de íons comerciais apenas caem para 50 eV na melhor das hipóteses e não permitem que você escolha os átomos que gostaria de usar. Contudo, a deposição de laser pulsado nos permite escolher os átomos e explorar essa faixa de energia com bastante facilidade. "

p A chave para ajustar a energia cinética, Lin disse, é reduzir de forma controlada os aglomerados de selênio adicionando gás argônio em uma câmara de pressão controlada. Limitar a energia cinética restringe a penetração de camadas atomicamente finas a profundidades específicas. A injeção de um pulso de aglomerados de átomos em baixa energia aglomera e desloca temporariamente os átomos em uma região, causando defeitos locais e desordem na rede cristalina. "O cristal então ejeta os átomos extras para se curar e se recristaliza em uma rede ordenada, "Geohegan explicou. Repetir esse processo de implantação e cura continuamente pode aumentar a fração de selênio na camada superior para 100% para completar a formação de uma monocamada de Janus de alta qualidade.

p Implantar e recristalizar de forma controlada materiais 2-D neste regime de baixa energia cinética é um novo caminho para a produção de materiais quânticos 2-D. "As estruturas de Janus podem ser feitas em poucos minutos nas baixas temperaturas que são necessárias para a integração eletrônica do semicondutor, "Lin disse, pavimentando o caminho para a fabricação da linha de produção. Em seguida, os pesquisadores querem tentar fazer monocamadas Janus em substratos flexíveis úteis na produção em massa, como plásticos.

p Para provar que eles haviam alcançado uma estrutura de Janus, Chenze Liu e Gerd Duscher, ambos da Universidade do Tennessee, Knoxville, e Matthew Chisholm de ORNL usou microscopia eletrônica de alta resolução para examinar um cristal inclinado para identificar quais átomos estavam na camada superior (selênio) versus a camada inferior (enxofre).

p Contudo, compreender como o processo substituiu os átomos de enxofre por átomos de selênio maiores - um feito energeticamente difícil - foi um desafio. Mina Yoon, do ORNL, usou supercomputadores no Oak Ridge Leadership Computing Facility, uma instalação de usuário do DOE Office of Science em ORNL, para calcular a dinâmica de energia desta batalha difícil da teoria usando os primeiros princípios.

p Avançar, os cientistas precisavam entender como a energia era transferida dos aglomerados para as redes para criar defeitos locais. Com simulações de dinâmica molecular, Eva Zarkadoula do ORNL mostrou aglomerados de átomos de selênio colidindo com a monocamada em diferentes energias e rebatendo nela, colidir com ele ou implantar nele - consistente com os resultados experimentais.

p Para confirmar ainda mais a estrutura de Janus, Os pesquisadores do ORNL provaram que as estruturas previram características calculando seus modos vibracionais e conduzindo experimentos de espectroscopia Raman e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X.

p Para entender que a pluma era feita de cachos, os cientistas usaram uma combinação de espectroscopia óptica e espectrometria de massa para medir massas e velocidades moleculares. Tomados em conjunto, a teoria e o experimento indicaram que 3 a 5 eV por átomo era a energia ideal para uma implantação precisa para formar estruturas de Janus.

p O título do artigo é "Implantação de baixa energia em monocamadas de dichalcogeneto de metal de transição para formar estruturas de Janus."