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聚焦电子束调控二硫化钼能隙

2017-11-7 环球解密

科学家再次突破了人类对二维材料的掌控力,做出 1.81eV 到 1.42eV 之间的二维二硫化钼(MoS2)。

对材料学家来说,调整材料性质以符合应用所需是一重要任务,从巨观的机械性质到微观的纳米结构,都是关注的焦点。能隙(Band gap)是材料的诸多重要性质之一,决定该材料发光以及吸收光子的能量大小。通常来说一旦材料组成固定,其能隙也就固定,不太具有调控的余地。

三五族材料的组成原子很多,调控的自由度很大,但并不是所有物质皆是如此。面对二硫化钼(MoS2)这种原子比例固定的化合物又要怎么办呢?

二硫化钼是二维材料,跟石墨烯类似,只有薄薄几层原子,根据组成的层数及结构不同,会产生不同性质。其中,1T 结构为金属性,2H 结构为半导体(至于 1T、2H 实际上是什么结构本文不多做解释)。1T 结构并无能隙,能带图如同金属一般;2H 结构像半导体一样具有能隙、导带(Conduction band)及价带(Valence Band),其能隙为 1.81eV。 1T 及 2H 两者差异在于原子排列的方式不同,虽然他们都是二硫化钼,但有不同性质。

但即便如此,1T 跟 2H 两种结构也只有两种性质,谈何调控?

加州大学圣塔芭芭拉分校(University of California - Santa Barbara) 电机系(Department of Electrical and Computer Engineering) Kaustav Banerjee 教授研发出一种精准调控二硫化钼能隙的方法。他们以具半导体的 2H 结构作为基底,在 2H 结构上制作做出具有周期性的纳米 1T 结构,这些没有能隙的 1T 结构规律的散布在 2H 基底上就像一个个位能井(Quantum well)。借由控制 1T 在 2H 中的分布及大小,便可以做出能隙在 1.81eV 到 1.42eV 之间的二维二硫化钼。这项研究成果被发表于 Scientific Reports。

这些 1T 结构们是利用聚焦电子束(focused electron beam) 打在 2H 结构上形成,现行技术可以精准控制聚焦电子束的位置,让 1T 结构之间的间距只有数纳米,并具有周期性,而非散乱排列,以确保能隙大小。这是科学家首次在二维材料上做出如此精准且具规模的纳米结构,每一个1T结构就像个量子点(Quantum dot)

论文作者 Xuejun Xie 表示:“我们的方法克服了以往制作这类结构的随机性及准确度,我们精准的调控了材料的能隙以符合应用面的需求。”“这是个新的制作材料方式(利用聚焦电子束让二维材料产生相变化),其应用面非常广,包括量子计算及通讯(quantum computing and communication)。这些结构互相之间距离非常小,因此电子之间会互相影响,这是实现量子计算的重要关键。”

Banerjee 教授说:“聚焦电子束的大小可以决定量子点的大小,一旦能做到这点,便可以控制二维材料的能隙。你说你要能隙 1.5eV 我就给 你1.5eV;你要 1.6eV 我一样可以给你。”

原始论文:Xie, Xuejun, Jiahao Kang, Wei Cao, Jae Hwan Chu, Yongji Gong, Pulickel M. Ajayan, and Kaustav Banerjee. "Designing artificial 2D crystals with site and size controlled quantum dots." Scientific Reports 7 (2017).

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