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符合3D曲线的2D晶体为工程量子器件创建应变胡佳琛

时间：2022年09月29日

符合3D曲线的2D晶体为工程量子器件创建应变

由能源部橡树岭国家实验室的科学家领导的一个小组探索了原子级薄的二维晶体如何在三维物体上生长，以及这些物体的曲率如何拉伸和拉紧晶体。发表在Science Advances上的研究结果指出了在原子级薄晶体生长过程中直接设计应变的策略，以制造用于量子信息处理的单光子发射器。

该团队首先探索了在具有尖锐台阶和沟槽图案的基板上生长扁平晶体令人惊讶的是，晶体在这些平坦的障碍物上共形地上下生长而不改变它们的性质或生长速率。然而，弯曲的表面需要晶体在生长时伸展以保持其晶体结构。2D晶体向第三维的增长提供了一个迷人的机会。

“你可以通过设计让它们长大的物体来设计你给晶体带来多大的压力，”和小同事David Geohegan和博士后研究员Kai Wang的Kai Xiao说。“应变是制造单光子发射器'热点'的一种方法。”

完美的2D晶体在3D物体上的共形生长有望将应变局部化，从而创建高保真度的单光子发射体阵列。拉伸或压缩晶格会改变材料的带隙，即电子的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特性。利用应变工程，研究人员可以将电荷载流子漏斗，精确地重新组合晶体中的所需位置，而不是随机缺陷位置。通过定制弯曲的物体来定位晶体中的应变，然后测量光学性质的变化，实验主义者迫使赖斯大学的合着者 - 理论家Henry Yu，Nitant Gupta和Boris Yakobson - 模拟和绘制曲率如何引起应变在晶体生长期间。

在ORNL，Wang和Xiao设计了Bernadeta Srijanto的实验，以探索2D光刻在纳米级光刻图案阵列上的生长。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，然后蚀刻掉暴露的表面以留下垂直竖立的形状，包括甜甜圈，锥体和台阶。王和另一位博士后研究员，李凡凡，然后将基板插入炉子中，其中蒸发的氧化钨和硫反应以在基板上沉积二硫化钨作为单层晶体。晶体在完美的三角形瓷砖中生长为原子的有序晶格，随着时间的推移逐渐增大，通过在其外边缘添加一排排原子。

科学家发现40纳米高的“甜甜圈”是单光子发射器的理想选择，因为晶体可以可靠地容忍它们诱导的应变，并且最大应变正好在环形的“孔”中，通过光致发光的变化来测量和拉曼散射。将来，在晶体生长之前，可以在任何需要量子发射器的地方图案化甜甜圈或其他结构的阵列。

Wang和ORNL的共同作者Alex Puretzky使用光致发光映射来揭示晶体成核的位置以及三角形晶体的每个边缘在甜甜圈上生长的速度。经过对图像的仔细分析后，他们惊讶地发现尽管晶体保持了完美的形状，但是由甜甜圈拉紧的晶体边缘生长得更快。

为了解释这种加速度，Puretzky开发了一种晶体生长模型，同事Mina Yoon进行了第一性原理计算。他们的研究表明，应变更容易在晶体生长边缘引起缺陷。这些缺陷可以使晶体沿边缘生长的成核位点的数量倍增，使其比以前更快地生长。

晶体可以在深沟中上下轻松生长，但由浅甜甜圈变得紧张，这与整合和弯曲有关。想象一下包装礼物。盒子很容易包装，因为纸张可以折叠以符合形状。但是一个带有曲线的不规则形状的物体，例如未装箱的杯子，不可能保形地包裹

2D晶体也会拉伸以符合基材的曲线。然而，最终，应变变得太大并且晶体分裂以释放应变，原子力显微镜和其他技术揭示。在晶体裂缝之后，对于每个新臂，静止应变材料的生长在不同方向上进行。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的项高和田梦坤通过扫描透射电子显微镜分析了晶体的原子结构。

“这些结果为二维材料提供了令人兴奋的机会，并将它们垂直整合到下一代电子产品的第三维中，”肖说。

接下来，研究人员将探索应变是否可以提高定制材料的性能。“我们正在研究晶体的应变如何使其更容易诱导相变，因此晶体可以呈现出全新的特性，”肖说。“在纳米材料科学中心，我们正在开发工具，使我们能够探索这些结构及其量子信息方面。”