美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家們領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)探索了二維(2d)晶體在三維物體上如何生長(zhǎng)，以及這些物體的曲率如何拉伸和拉伸晶體。

其研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上，指出了一種直接在原子薄晶體生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生工程應(yīng)變的策略，這種策略旨在制造用于量子信息處理的單光子發(fā)射器。研究小組首先探索了平面晶體在帶有鋒利臺(tái)階和溝槽圖案基底上的生長(zhǎng)。

令人驚訝的是，這些晶體在沒(méi)有改變其性質(zhì)或生長(zhǎng)速度的情況下，沿著這些平坦的障礙物上下生長(zhǎng)。然而，彎曲的表面需要晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中拉伸以保持其晶體結(jié)構(gòu)。這種二維晶體向三維的生長(zhǎng)提供了一個(gè)迷人的機(jī)會(huì)。肖凱(音譯)是與ORNL的同事戴維?吉赫根(David Geohegan)以及博士后研究員王凱(現(xiàn)供職于英特爾)共同構(gòu)思了這項(xiàng)研究并表示：你可以通過(guò)設(shè)計(jì)讓晶體生長(zhǎng)的物體來(lái)控制施加在晶體上的壓力，應(yīng)變是為單個(gè)光子發(fā)射器制造‘熱點(diǎn)’的一種方法。

完美二維晶體在三維物體上的保角生長(zhǎng)有望使應(yīng)變局部化，從而產(chǎn)生高保真度的單光子發(fā)射器陣列。晶格的拉伸或壓縮改變了材料能帶隙，即電子的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙，這在很大程度上決定了材料的光電子性質(zhì)。利用應(yīng)變工程學(xué)，研究人員可以將漏斗形的載流子精確地重新組合到晶體中需要的位置，而不是隨機(jī)的缺陷位置。通過(guò)裁剪彎曲的物體來(lái)定位晶體中的應(yīng)變，然后測(cè)量由此產(chǎn)生的光學(xué)性質(zhì)變化，萊斯大學(xué)的理論家亨利·于、尼坦·古普塔和鮑里斯·雅庫(kù)布森的合著者們模擬并繪制出曲率在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中是如何誘導(dǎo)應(yīng)變的。

在ORNL, Wang和Xiao與Bernadeta Srijanto設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，以探索二維晶體在納米形狀的光刻陣列上生長(zhǎng)。Srijanto首先使用光刻掩模在光照下保護(hù)氧化硅表面的某些區(qū)域，然后蝕刻掉暴露的表面，留下垂直豎立的形狀，包括甜甜圈、錐體和臺(tái)階。王和另一位博士后研究員李旭凡(現(xiàn)就職于本田研究院)將基板放入熔爐中，在熔爐中，氧化鎢和硫汽化反應(yīng)，在基板上沉積二硫化鎢，形成單層晶體。這些晶體以有序的原子晶格形式生長(zhǎng)在完美的三角形瓦片中，隨著時(shí)間的推移，在瓦片的外緣添加一排又一排的原子，瓦片就會(huì)變大。

當(dāng)二維晶體看起來(lái)像紙一樣毫不費(fèi)力地在高高的臺(tái)階和鋒利的溝槽上折疊時(shí)，生長(zhǎng)在彎曲物體上迫使晶體拉伸以保持其三角形的形狀?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，40納米高的“甜甜圈”是單光子發(fā)射器的理想選擇，因?yàn)榫w能夠可靠地承受它們所誘導(dǎo)的應(yīng)變，而通過(guò)測(cè)量光致發(fā)光和拉曼散射的位移，最大應(yīng)變精確地位于甜甜圈的“孔”內(nèi)。在未來(lái)，甜甜圈或其他結(jié)構(gòu)的陣列，可以在晶體生長(zhǎng)之前的任何量子發(fā)射器需要的地方被模式化。

王和ORNL的合著者亞歷克斯·普雷茨基利用光發(fā)光圖譜揭示了晶體的成核位置以及三角形晶體每條邊在甜甜圈上生長(zhǎng)的速度。經(jīng)過(guò)對(duì)這些圖像的仔細(xì)分析，驚奇地發(fā)現(xiàn)，盡管這些晶體保持著完美的形狀，但被甜甜圈拉緊的晶體邊緣增長(zhǎng)得更快。為了解釋這種加速，Puretzky開(kāi)發(fā)了一個(gè)晶體生長(zhǎng)模型，同事Mina Yoon進(jìn)行了第一性原理計(jì)算。研究表明，應(yīng)變更有可能在晶體生長(zhǎng)的邊緣產(chǎn)生缺陷。這些缺陷可以使沿邊緣生長(zhǎng)的種子晶體成核位點(diǎn)成倍增加，使其生長(zhǎng)速度比以前更快。

晶體可以很容易地在深溝中上下生長(zhǎng)，但被淺甜甜圈拉緊的原因與一致性和曲率有關(guān)。想象包裝禮物，盒子很容易包裝，因?yàn)榧埧梢愿鶕?jù)形狀折疊。但是，形狀不規(guī)則、有曲線的物體，比如一個(gè)未裝箱的杯子，是不可能以正形包裝的(為了避免撕裂紙張，你必須能夠像塑料包裝一樣拉伸紙張)。二維晶體也可以拉伸，以符合襯底的曲線。然而，原子力顯微鏡和其他技術(shù)顯示，最終應(yīng)變過(guò)大，晶體分裂，無(wú)法釋放應(yīng)變。在晶體破裂之后，仍然處于應(yīng)變狀態(tài)的材料會(huì)朝著不同的方向生長(zhǎng)。

在南京航空航天大學(xué)，胡志麗進(jìn)行了晶體分支的相場(chǎng)模擬。ORNL的項(xiàng)高(音譯)和田夢(mèng)昆(音譯)(原名田納西大學(xué))通過(guò)掃描透射電鏡分析了晶體的原子結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果為我們帶來(lái)了激動(dòng)人心的機(jī)遇，可以將二維材料垂直整合到下一代電子產(chǎn)品的三維空間中。接下來(lái)，研究人員將探索應(yīng)變是否能提高定制材料的性能，正在探索晶體的應(yīng)變?nèi)绾问蛊涓菀滓l(fā)相變，從而使晶體具有全新的特性，在納米材料科學(xué)中心，科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)能夠讓我們探測(cè)這些結(jié)構(gòu)及其量子信息方面的工具。

博科園｜研究/來(lái)自：橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aAV4028

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