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耐应变,三角形,在SiO2基片上生长了WS2的单层晶体,基片上有环形柱图案。如扫描电子显微镜(下)和原子力显微镜(中)图像元素所示。柱的弯曲在上覆晶体中引起应变,局部改变了它们的光电性能,如图所示,在光致发光的明亮区域(顶部)。CreditChristopher Rouleau/橡树岭国家实验室,美国部门能量
耐应变,三角形,在SiO2基片上生长了WS2的单层晶体,基片上有环形柱图案。如扫描电子显微镜(下)和原子力显微镜(中)图像元素所示。柱的弯曲在上覆晶体中引起应变,局部改变了它们的光电性能,如图所示,在光致发光的明亮区域(顶部)。CreditChristopher Rouleau/橡树岭国家实验室,美国部门能量

摘要:
由能源部橡树岭国家实验室的科学家领导的一个研究小组探索了原子细的二维(2D)晶体如何在3D物体上生长,以及这些物体的曲率如何拉伸和应变晶体。调查结果,发表在《科学进展》上,指出了在原子化薄晶体生长过程中直接产生工程应变的策略,以制备用于量子信息处理的单光子发射器。

符合三维曲线的二维晶体为工程量子器件创造应变

橡树岭,TN发布于6月7日,二千零一十九

研究小组首先研究了平板晶体在有尖锐台阶和沟槽图案的基板上的生长。令人惊讶的是,晶体在不改变其性质或生长速率的情况下,在这些平坦的障碍物上下一致地生长。然而,弯曲的表面要求晶体在生长过程中伸展以保持晶体结构。二维晶体在三维空间的生长提供了一个迷人的机会。

“你可以通过设计让晶体生长的物体来设计你给晶体施加的压力,”凯晓说,他与Ornl的同事David Geohegan和博士后研究员Kai Wang(现在在英特尔)共同构思了这项研究。“应变是制造单光子发射器“热点”的一种方法。”

完美的二维晶体在三维物体上的保形生长有希望将应变局部化,从而形成单光子发射器的高保真阵列。拉伸或压缩晶体晶格会改变材料的带隙,电子价带和导带之间的能隙,这在很大程度上决定了材料的光电性能。使用应变工程,研究人员可以通过漏斗形电荷载流子在晶体中精确重组,而不是在随机的缺陷位置。通过裁剪弯曲物体来定位晶体中的应变,然后测量产生的光学性质的变化,实验家迫使莱斯大学的合著者——理论家余亨利,NitantGupta和BorisYakobson——模拟和绘制晶体生长过程中曲率如何引起应变。

在Ornl,王和肖设计了与Bernadeta srijan的实验来探索二维晶体在纳米形状的石版印刷阵列上的生长。srijanto首先使用光刻掩模在曝光期间保护氧化硅表面的某些区域,然后把暴露的表面蚀刻掉,留下垂直站立的形状,包括甜甜圈,锥体和台阶。王和另一位博士后研究员,李旭凡(现供职于本田研究院)然后将基板插入炉中,在炉中气化的氧化钨和硫反应,以单层晶体的形式在基板上沉积二硫化钨。晶体在完美的三角形瓦中以有序的原子晶格的形式生长,随着时间的推移,在它们的外缘增加了一行又一行的原子,这一格子随着时间的推移而变大。虽然二维晶体看起来像纸一样毫不费力地折叠在高高的台阶和尖尖的沟槽上,弯曲物体上的生长迫使晶体拉伸以保持三角形。

科学家们发现,40纳米高的“甜甜圈”是单光子发射器的最佳候选材料,因为晶体能够可靠地承受它们所引起的应变。最大应变正好在甜甜圈的“孔”里,通过光致发光和拉曼散射的位移来测量。未来,在晶体生长之前,可以在任何需要量子发射器的地方制作甜甜圈阵列或其他结构的图案。

Wang和Ornl的合著者Alex Puretzky利用光致发光图谱揭示了晶体的成核位置,以及三角形晶体在甜甜圈上生长时每边的进展速度。仔细分析图像后,他们惊奇地发现尽管晶体保持了完美的形状,被甜甜圈拉伤的晶体边缘生长得更快。

为了解释这个加速度,puretzky开发了晶体生长模型,同事MinaYoon进行了第一原则计算。他们的研究表明,应变更有可能在晶体的生长边缘引起缺陷。这些缺陷会使沿边缘生长的晶核位置增加,让它比以前生长得更快。

晶体可以很容易地在深沟中生长,但被浅甜甜圈拉伤了,与一致性和曲度有关。想象一下包装礼物。盒子很容易包装,因为纸可以折叠以符合形状。但是有曲线的不规则形状的物体,比如一个未装箱的杯子,不可能包合(避免撕破纸张,你必须能像塑料包装一样拉伸它。)

二维晶体也会拉伸以符合基板的曲线。最终,然而,应变太大,晶体分裂,无法释放应变,原子力显微镜和其他技术揭示。晶体破裂后,对于每一个新的手臂,仍然紧张的材料的生长在不同的方向上进行。在南京航空航天大学,胡志立进行了晶体分支的相场模拟。Ornl的Xiang Gao和田纳西大学的Mengkun Tian通过扫描透射电子显微镜分析了晶体的原子结构。

肖说:“研究结果提供了一个令人兴奋的机会,可以将二维材料垂直整合到下一代电子产品的三维空间中。”

接下来,研究人员将探讨应变是否能提高定做材料的性能。肖说:“我们正在研究晶体的应变如何使其更容易诱发相变,从而使晶体具有全新的性质。”“在纳米材料科学中心,我们正在开发能够让我们探测这些结构及其量子信息方面的工具。”

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本文的题目是“曲面上二维晶体生长的应变容限”。

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黎明利维

865-576-6448号

版权所有©橡树岭国家实验室

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