↓↓↓文章末尾获取原文链接↓↓↓

本文1235字，阅读约需4分钟

摘要：通过自主研发的“原位（in-situ）光学和电学观测系统”，发现源自等离子体的电子会在二维薄片中积累，从而削弱原子间的键合，促进室温下的反应，从而提出控制“电子积累”的状态是合成Janus型2D薄片的关键的新型反应模型。

关键词：Janus型2D薄片、下一代半导体、电子积累、键合能、原子取代

要点

在作为下一代纳米半导体材料的Janus型二维薄片中，发现了原子在室温下发生取代的新型机制——电子积累模型。
通过自主研发的“原位（in-situ）光学和电学观测系统”，发现源自等离子体的电子会在二维薄片中积累，从而削弱原子间的键合，促进室温下的反应。
成功利用光控电子积累来加速反应，为下一代二维半导体的高精度控制提供了重要指导。

概要

Janus型二维薄片（以下简称Janus型2D薄片）因其正反面具有不同类型元素的特殊结构，有望展现出新的功能，但目前尚不清楚为什么在室温下，只有二维薄片正面的原子会被其他原子取代。

研究小组阐明了Janus型二维薄片中的原子取代反应机制。利用自主研发的“原位（in-situ）光学和电学观测系统”，研究小组发现等离子体提供的电子会在2D薄片界面处积累，削弱原本牢固的原子间键合，从而即使在室温这种低能量状态下，原子取代反应也能选择性地进行。

本成果为下一代二维半导体中的原子取代提供了重要的设计指导，有望应用于半导体、量子器件、太阳能电池、制氢催化剂和燃料电池等多个领域。

研究背景

Janus型2D薄片由厚度仅为三个原子的2D薄片构成，由于其正反面具有不同类型的元素，因此内部会产生强电场，是一种备受期待的新材料，有望大幅提高光传感器、能量转换元件、制氢催化剂和太阳能发电等的效率（图1）。

图1. 本研究的整体概要图（普通2D薄片与Janus型2D薄片的比较）

虽然已有报道称，利用等离子体方法在室温下仅对正面元素进行取代，即可合成双面元素相同的传统2D薄片，但原本需要高能量的原子取代为何能在室温下进行，此前并未得到阐明。理解这一机制对于提高材料质量和设计新型功能材料至关重要。

研究内容

研究小组开发出全球唯一的“原位（in-situ）光学和电学观测系统（图2）”，该系统能够在真空中照射等离子体的同时，实时直接观察材料的结构和电学性质的变化。利用该系统进行的实验发现，等离子体照射过程中电子在材料表面及与基板界面处积累。此外，第一性原理计算验证结果表明，这些积累的电子降低了金属原子与硫族原子之间的键合能，从而使室温下原子取代也能容易进行（图3）。此外，通过照射紫外线有意地增强电子积累，研究小组成功将原子取代反应速度提高了2倍以上。由此，研究小组提出了控制“电子积累”的状态是合成Janus型2D薄片的关键的新型反应模型。

图2. 本研究开发的原位（in-situ）光学和电学观测系统的示意图

图3. 与伴随电子掺杂的键合能变化相关的(a)第一性原理计算结果；(b)示意图

未来展望

本次发现使得一种新的工艺设计成为可能——通过控制电子积累状态来控制此前依赖经验规律的Janus型2D薄片的合成。未来，通过进一步详细验证这一机制，有望制造出能够自由组合各种Janus型2D材料的创新型纳米器件。

此外，本次阐明的无热原子取代反应，不仅可应用于Janus型2D薄片，还可应用于多种其他材料，并有望在诸多领域得到应用，例如采用塑料基底等柔性材料的下一代可穿戴设备以及高效太阳能电池的开发。

https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20260501-01web-janus2d.pdf

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.6c00018

（1）资讯定制

对于本文章中提到的技术，有海外相关技术信息（行业资讯、技术报告、专利信息等）扩展搜集需求的，欢迎留言区留言，或联系邮箱【info#aipatent.com（注明“资讯定制”） *发送邮件时请将“#”替换为“@”】了解详情。

（2）征稿启事

应部分读者建议，本公众号现开放投稿，面向企业及科研机构人员征集稿件，可以分享技术信息、学术类论文、科研成果以及研究见解等。

投稿请发送至邮箱：support#aipatent.com（请注明“AIpatent公众号来稿”） *发送邮件时请将“#”替换为“@”

一种用于下一代半导体的新型合成机制——“Janus型二维薄片”