科學家再次突破了人類對二維材料的掌控力, 做出 1.81eV 到 1.42eV 之間的二維二硫化鉬(MoS2)。
對材料學家來說, 調整材料性質以符合應用所需是一重要任務,
三五族材料的組成原子很多, 調控的自由度很大, 但並不是所有物質皆是如此。 面對二硫化鉬(MoS2)這種原子比例固定的化合物又要怎麼辦呢?
二硫化鉬是二維材料, 跟石墨烯類似, 只有薄薄幾層原子, 根據組成的層數及結構不同, 會產生不同性質。 其中, 1T 結構為金屬性, 2H 結構為半導體(至於 1T、2H 實際上是什麼結構本文不多做解釋)。 1T 結構並無能隙, 能帶圖如同金屬一般;2H 結構像半導體一樣具有能隙、導帶(Conduction band)及價帶(Valence Band),
但即便如此, 1T 跟 2H 兩種結構也只有兩種性質, 談何調控?
加州大學聖塔芭芭拉分校(University of California - Santa Barbara) 電機系(Department of Electrical and Computer Engineering) Kaustav Banerjee 教授研發出一種精准調控二硫化鉬能隙的方法。 他們以具半導體的 2H 結構作為基底, 在 2H 結構上製作做出具有週期性的納米 1T 結構, 這些沒有能隙的 1T 結構規律的散佈在 2H 基底上就像一個個位能井(Quantum well)。 借由控制 1T 在 2H 中的分佈及大小, 便可以做出能隙在 1.81eV 到 1.42eV 之間的二維二硫化鉬。 這項研究成果被發表於 Scientific Reports。
這些 1T 結構們是利用聚焦電子束(focused electron beam) 打在 2H 結構上形成, 現行技術可以精准控制聚焦電子束的位置, 讓 1T 結構之間的間距只有數納米, 並具有週期性, 而非散亂排列,
論文作者 Xuejun Xie 表示:“我們的方法克服了以往製作這類結構的隨機性及準確度, 我們精准的調控了材料的能隙以符合應用面的需求。 ”“這是個新的製作材料方式(利用聚焦電子束讓二維材料產生相變化), 其應用面非常廣, 包括量子計算及通訊(quantum computing and communication)。 這些結構互相之間距離非常小, 因此電子之間會互相影響, 這是實現量子計算的重要關鍵。 ”
Banerjee 教授說:“聚焦電子束的大小可以決定量子點的大小, 一旦能做到這點, 便可以控制二維材料的能隙。 你說你要能隙 1.5eV 我就給 你1.5eV;你要 1.6eV 我一樣可以給你。 ”
原始論文: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).