룰렛필승법2 차원 금속의 보편적 준비! 룰렛필승법

2004 년 단일 층을 처음 발견 한 이래로 2 차원 재료는 응축 물리 물리학, 재료 과학 및 기타 분야에서 많은 획기적인 획기적인 시대를 열어 기본 연구 및 기술 혁신의 2 차원 시대를 열었습니다. 지난 20 년 동안, 2 차원 물질 패밀리는 빠르게 성장하여 실험에서 성공적으로 준비되었으며 이론적으로 예측 된 유형은 2,000에 가깝습니다. 그러나 이러한 재료의 대부분은 여전히 ​​반 데르 발스 층 계층 시스템으로 제한됩니다. 최근에 사람들은 원자 한계 두께가있는 2 차원 금속의 신흥 물질에 대한 높은 희망을 가지고 있으며, 기존의 2 차원 반 데르 (Van der Waals) 시스템을 뚫을 수있을뿐만 아니라 2 차원 물질 패밀리를 확장 할 수있을뿐만 아니라 다양한 매크로 양자 페 노미나를 낳아 이론, 실험 및 기술의 추가 발달을 촉진 할 수 있다고 믿습니다.

이를 고려하여 중국 과학 연구소의 Zhang Guangyu 연구원과 Douro Jun의 특수 연구원은 금속을 녹이고 싱글 층의 밴을 제한하여 금속을 용해시키고 Atomic Manufacturing을위한 van der Waals 압출 기술을 개발했습니다. 비스무트 (BI, 6.3Å), 주석 (SN, 5.8 Å), 납 (PB, 7.5Å), 인듐 (IN, 8.4Å) 및 갈륨 (GA, 9.2Å)을 포함한 Amy. 반 데르 발스 (Van der Waals)에 의해 제조 된 2 차원 금속은 단일 층의 MOS2로 포장되므로, 2 차원 금속의 본질적인 특성을 탐색하기 위해 장치 준비에 도움이되는 매우 우수한 환경 안정성 (1 년 이상의 테스트에서 성능 저하가 없음)과 비 결합 인터페이스를 갖습니다. 단일 층 BI의 전송 및 라만 측정은 새로운 포논 모드, 향상된 전도도, 상당한 현장 효과 및 큰 비선형 홀 전도도와 같은 우수한 물리적 특성을 보여줍니다. 이 연구는 2 차원 금속, 합금 및 기타 2 차원 비 Van Der 발상 재료를 달성하기위한 효과적인 경로를 확립하여 광범위한 신흥 양자, 전자 및 광기 장치에 대한 밝은 비전을 요약 할 수 있습니다. 관련 연구 결과는 "Ångström 두께 한계에서 2D 금속의 실현"이라는 제목으로 Nature의 최신호에 발표되었습니다. 중국 과학 아카데미의 물리 연구소 (Institute of Physics)의 N07 연구 그룹의 Zhao Jiaojiao 박사는이 논문의 첫 번째 저자입니다.

[반 데르 발스 (Van der Waals) 압출에 의한 EM 두께 2 차원 금속의 준비] 저자는 각각 단일 결정 단일 층으로 코팅 된 크고 평평한 C- 측면 Sapphire 기판으로 구성된 2 개의 "모루"를 준비했습니다. 이들은 두 모루 사이에 대상 금속 (예 : BI, SN 또는 PB)을 용융 형태로 퇴적 한 다음 고온에서 최대 수백 메가 패스까지 압축력을 적용합니다. 사파이어와 싱글 층 MOS태는 높은 영의 모듈러스 (최대 수백 개의 gigapas)를 가지고 있기 때문에, 용융 금속은 모루를 손상시키지 않고 매우 얇게 압출됩니다. 샘플이 실온으로 천천히 냉각되면 안정적인 앙스트롬 등급 금속 필름이 두 Mos₂ 시트 사이에 완전히 샌드위치됩니다. 그림 1은 압출 과정의 개략도를 보여줍니다. (i) 바닥 MOS태/사파이어 앤빌에 소량의 금속 분말을로드, (ii) 금속이 녹을 때까지 가열 (iii) 제어 된 힘으로 상단 MOS/Sapphire Anvil을 누르고 (iv) 울트라-틱 필름을 얻도록 압력을 유지하면서 (iv) 냉각하면서 상단을 누릅니다. 광학 현미경 사진은 큰 연속 2D 필름을 보여줍니다. 저자는 적용된 압력과 금속의 유형에 따라 필름의 폭이 수십 또는 수백 미크론 일 수 있다고 강조합니다. 원자력 현미경은 필름 두께가 BI와 같은 몇 가지 angstrom에 불과 함을 보여줍니다. BI는 약 6.3 angstroms, SN은 약 5.8 angstroms, PB는 약 7.5 angstroms, in은 약 8.4 angstroms, GA는 약 9.2 angstrom입니다. 이러한 두께는 단일 또는 거의 단일 단위 셀 구조를 나타냅니다. 저자들은이 접근법을이 접근법과 금속에 대한“핫 프레스”에 대한 이전의 시도와 비교했으며룰렛필승법, 이는 일반적으로 단일 원자 층 범위에서 멀리 떨어진 두께가 몇 개 밖에되지 않는 필름을 생성합니다. 대조적으로, "Van der 발상 압출"에서, 강성 MOS₂ 단일 층과 고체 사파이어 기판의 조합은 실제 한계를 달성합니다.

그림 1. 2 차원 금속에 대한 Van der Waals 압출 과정

[단일 층 BI의 원자 구조]

팀은 구체적으로 Bismuth (Bi)에 초점을 맞추 었습니다. 저자는 초트라틴 BI 결정화가 다른 가능한 구조적 할당수보다는 소위 알파 상 (직사각형 격자)에 있음을 확인합니다. 2D BI는 다른 다형성을 채택 할 수 있기 때문에 중요합니다. 각 다형성은 다른 밴드 구조 또는 토폴로지 특성을 나타낼 수 있습니다. 도 2A의 왼쪽 패널은 고 각도의 고리 다크 필드 (HAADF) 스캐닝 변속기 전자 현미경 (STEM)의 단면 이미지이며, MOS₂의 상단과 하단 단층 사이에 샌드위치 된 두 바이 원자 층을 명확하게 구별한다. BI와 MO의 별도의 원소 다이어그램은 중앙 영역이 실제로 BI임을 확인하고 MOS이 위와 아래에 위치하고 있습니다. 그림 2b는 HAADF-stem Microphip의 최고보기를 보여줍니다. Bi 원자는 α 상 바이 (110)와 일치하는 직사각형 어레이로 나타나며, 격자 상수는 하나의 축을 따라 약 5.0Å이고 다른 축을 따라 약 4.6Å입니다. 도 2D의 선택된 전자 회절 (SAED) 패턴은 단일 층 α-bi의 직사각형 대칭을 확인하고 포장 된 MOS₂ 시트와 기본 기판 사이의 비틀림 각도를 나타낸다. 시험 된 모든 단일 층 BI 필름 (50 개 이상의 장치)은 일관된 α- 상 지수를 보여 주었고, 이는 α-bi (110)가 이들 캡슐화 조건 하에서 안정적인 구조적 접지 상태임을 나타낸다. 저자들은 느린 냉각 속도 (녹은 상태에서 실온까지 약 몇 시간)가 100 µm를 초과하는 단일 결정 단층을 생성하는 데 도움이된다고 지적합니다. 한편룰렛필승법, 더 빠른 냉각은 1 µm 미만의 전형적인 곡물 크기의 멀티 곡물 필름을 생성하여 잘 통제 된 열 프로토콜의 중요성을 보여줍니다.

그림 2. 단일 레이어 BI

의 원자 구조 [단일 층 BI의 특성 전송]

단일 층 BI는 적어도 1 년 동안 화학적 안정성을 유지하고 (저자에 의해 테스트 됨) 두 개의 불활성 MOSAT 층 사이에 완전히 캡슐화되고 있으며룰렛필승법, 저자에 의해 테스트 됨) 및 전형적인 하위 상호 작용을 피합니다.. 이 설정을 통해 Hall Rod 장비 제조업은 2D BI의 고유 전기 특성을 측정 할 수 있습니다. 그림 3a는 사파이어에서 만든 장치의 광학 이미지로, AU 전극이 숨겨진 BI 층과 접촉하고 얇은 HBN 플레이크는 상단 게이트 유전체 역할을합니다. 일단 MOS₂ 자체가 식 으면 충분히 절연되어 전도에 크게 영향을 미치지 않습니다. 주요 그림은 (세로 저항)와 온도의 관계를 보여 주어 더 높은 온도에서 금속의 거동을 나타냅니다. T의 증가에 따라 전도도는 대략 선형으로 증가하며 이는 금속에서 전자-포논 산란의 특징입니다. 실온에서 측정 된 전도도는 벌크 BI보다 1 배 높은 9.0 × 106S M -1에 도달 할 수 있습니다. 샘플에는 하나의 원자 단위 두께가 있기 때문에 저자는 외부 게이트로 캐리어를 성공적으로 변조했습니다. 상단 게이트 전압을 -40V에서 +40V로 스캔하면 상당한 저항 변화가 발생하여 P 형 전도의 존재를 나타냅니다. 대량의 금속 또는 반 금속 필름은 강한 현장 효과를 거의 나타내지 않기 때문에 주목할 가치가 있습니다. 단일 층 BI의 게이트 필드에 대한 감도는 "모든 금속 트랜지스터"응용 프로그램이있을 수 있음을 나타냅니다. 저자들은 강력한 2 차 (비선형) 홀 전압을 감지했는데, 이는 반전 중심과의 α 상 BI에서 베리 곡률 쌍극자의 부족으로 인한 것입니다. 측정 된 2 차 홀 전도도는 ≈0.22MV-1Ω − 1이며, Weyl Semi-Metal 또는 Twisted Double-Layer TMD의 일반적인 값보다 몇 배 더 큽니다. 이는 차세대 비선형 전자 또는 광전자 장치에서 2D BI의 잠재력을 강조합니다.

그림. 약 6Å의 층, 약 12 ​​Å 등의 이중 층). 이를 통해 진동과 가능한 전자 특성이 두께에 따라 어떻게 다른지 모니터링 할 수 있습니다. 도 4A는 단일 층, 이중 층 및 트리플 층 영역이 병치 된 원자력 현미경 이미지를 보여준다. 단면 높이 분포는 각 개별 두께 단계를 확인합니다. 도 4b 및 4c는 각각 약 12.4Å 및 19.5 Å의 두께가 각각 2- 및 3 단위 세포 BI의 구조를 도시한다. 도 4D에서, 저자는 단일 층 제한에 나타나는 추가 포논 패턴 ( '로 표시)을 자세히 설명하며, 이는 점차 두꺼운 필름에서 정상 1 패턴과 병합되도록 점차 전환한다. 다양한 라만 피크와 층 수 사이의 분할을 그려서, 2D BI의 두께를 결정하기위한 "지문"역할을 할 수있는 선형 관계를 확립했습니다. 블록 결정에 존재하지 않는 새로운 포논 패턴은 실제 2D 금속 층의 독특한 구조 및 진동 환경을 보여줍니다.

그림 4. 레이어 관련 특성

【요약

이 논문은 두 개의 반대 ML-MOS2/Sapphire Anvil을 사용하여 원자가 얇은 한계에서 2D 금속을 달성 할 수있는 간단하고 효과적이며 보편적 인 VDW 압출 경로를 보여줍니다. BI, GA, IN, SN 및 PB를 포함한 Å 두께 한계에서 다양한 2D 금속이 실현됩니다. 단일 계층 MOS2의 완전한 포장으로 인해, 생성 된 2D 금속은 환경 적으로 안정적이고 내재적이다. 포장 된 단일 레이어 BI는 최소 1 년 동안 지속될 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 특정 응용 분야에 표면의 노출이 필요한 경우,이 2D 금속은 MOS2 패키지 층으로부터 쉽게 분리 될 수 없습니다. 저자는 2D BI를 예를 들어, 이전에 알려지지 않은 많은 새로운 물리적 특성을 보여줍니다. 이 반 데르 발스 압축 기술은 또한 2 차원 금속 합금과 다양한 다른 2 차원 비 밴 데르 발스 화합물을 실현하는 효과적인 방법을 제공 할 것이며, 신흥 양자, 전자 및 광자 현상을 연구하기위한 다기능 재료 플랫폼을 확립 할 수 있습니다.

출처 : 폴리머 과학의 국경

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