創造出工程應變的量子設備！得益於符合三維曲線的二維晶體

美國能源部橡樹嶺國家實驗室科學家們領導的一個團隊探索了二維(2d)晶體在三維物體上如何生長，以及這些物體的曲率如何拉伸和拉伸晶體。其研究發表在《科學進展》(Science Advances)上，指出了一種直接在原子薄晶體生長過程中產生工程應變的策略，這種策略旨在製造用於量子信息處理的單光子發射器。研究小組首先探索了平面晶體在帶有鋒利台階和溝槽圖案基底上的生長。

令人驚訝的是，這些晶體在沒有改變其性質或生長速度的情況下，沿着這些平坦的障礙物上下生長。然而，彎曲的表面需要晶體在生長過程中拉伸以保持其晶體結構。這種二維晶體向三維的生長提供了一個迷人的機會。肖凱(音譯)是與ORNL的同事戴維?吉赫根(David Geohegan)以及博士後研究員王凱(現供職於英特爾)共同構思了這項研究並表示：你可以通過設計讓晶體生長的物體來控制施加在晶體上的壓力，應變是為單個光子發射器製造‘熱點’的一種方法。

（博科園-圖示）用掃描電鏡(下)和原子力顯微鏡(中)圖像元素，在SiO2基板上生長了耐應變的三角形單層WS2晶體。柱體彎曲引起了覆蓋晶體的應變，局部地改變了它們的光電特性，如圖所示，在明亮的光致發光區域(頂部)。圖片：Christopher Rouleau/Oak Ridge National Laboratory, US Dept. of Energy

完美二維晶體在三維物體上的保角生長有望使應變局部化，從而產生高保真度的單光子發射器陣列。晶格的拉伸或壓縮改變了材料能帶隙，即電子的價帶和導帶之間的能隙，這在很大程度上決定了材料的光電子性質。利用應變工程學，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，而不是隨機的缺陷位置。通過裁剪彎曲的物體來定位晶體中的應變，然後測量由此產生的光學性質變化，萊斯大學的理論家亨利·於、尼坦·古普塔和鮑里斯·雅庫布森的合著者們模擬並繪製出曲率在晶體生長過程中是如何誘導應變的。

在ORNL, Wang和Xiao與Bernadeta Srijanto設計了實驗，以探索二維晶體在納米形狀的光刻陣列上生長。Srijanto首先使用光刻掩模在光照下保護氧化硅表面的某些區域，然後蝕刻掉暴露的表面，留下垂直豎立的形狀，包括甜甜圈、錐體和台階。王和另一位博士後研究員李旭凡(現就職於本田研究院)將基板放入熔爐中，在熔爐中，氧化鎢和硫汽化反應，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在完美的三角形瓦片中，隨着時間的推移，在瓦片的外緣添加一排又一排的原子，瓦片就會變大。

當二維晶體看起來像紙一樣毫不費力地在高高的台階和鋒利的溝槽上摺疊時，生長在彎曲物體上迫使晶體拉伸以保持其三角形的形狀。科學家們發現，40納米高的“甜甜圈”是單光子發射器的理想選擇，因為晶體能夠可靠地承受它們所誘導的應變，而通過測量光致發光和拉曼散射的位移，最大應變精確地位於甜甜圈的“孔”內。在未來，甜甜圈或其他結構的陣列，可以在晶體生長之前的任何量子發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的速度。經過對這些圖像的仔細分析，驚奇地發現，儘管這些晶體保持着完美的形狀，但被甜甜圈拉緊的晶體邊緣增長得更快。為了解釋這種加速，Puretzky開發了一個晶體生長模型，同事Mina Yoon進行了第一性原理計算。研究表明，應變更有可能在晶體生長的邊緣產生缺陷。這些缺陷可以使沿邊緣生長的種子晶體成核位點成倍增加，使其生長速度比以前更快。

晶體可以很容易地在深溝中上下生長，但被淺甜甜圈拉緊的原因與一致性和曲率有關。想象包裝禮物，盒子很容易包裝，因為紙可以根據形狀摺疊。但是，形狀不規則、有曲線的物體，比如一個未裝箱的杯子，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顯示，最終應變過大，晶體分裂，無法釋放應變。在晶體破裂之後，仍然處於應變狀態的材料會朝着不同的方向生長。

在南京航空航天大學，胡志麗進行了晶體分支的相場模擬。ORNL的項高(音譯)和田夢昆(音譯)(原名田納西大學)通過掃描透射電鏡分析了晶體的原子結構。研究結果為我們帶來了激動人心的機遇，可以將二維材料垂直整合到下一代電子產品的三維空間中。接下來，研究人員將探索應變是否能提高定製材料的性能，正在探索晶體的應變如何使其更容易引發相變，從而使晶體具有全新的特性，在納米材料科學中心，科學家正在開發能夠讓我們探測這些結構及其量子信息方面的工具。

博科園｜研究/來自：橡樹嶺國家實驗室

參考期刊《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aav4028

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