原子工程可以選擇性地誘導(dǎo)單個原子上的特定動力學(xué)

原子工程可以選擇性地誘導(dǎo)單個原子上的特定動力學(xué)，然后通過組合步驟形成大規(guī)模組件。在現(xiàn)在發(fā)表在Science Advances上的一項新研究中，叢蘇和材料科學(xué)，電子，物理，納米科學(xué)和光電技術(shù)部門的國際跨學(xué)科科學(xué)家團(tuán)隊; 首先調(diào)查了石墨烯摻雜劑的單步動力學(xué)。然后他們開發(fā)了一個理論來描述基于實驗裝置中碰撞后初級碰撞原子的動量的結(jié)構(gòu)結(jié)果的概率。蘇等人。結(jié)果表明，預(yù)測的構(gòu)型轉(zhuǎn)化分支比與單原子實驗吻合良好。結(jié)果表明，將單原子動力學(xué)偏向于感興趣的結(jié)果，將為利用電子輻射設(shè)計和擴(kuò)大原子工程鋪平道路。

控制材料的確切原子結(jié)構(gòu)是原子工程的最終形式。原子操縱和原子 - 原子組裝可以通過精確定位原子摻雜劑以改變碳納米管和石墨烯的性質(zhì)而產(chǎn)生在合成上難以實現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)。例如，在量子信息學(xué)中，氮(N)或磷(P)摻雜劑可以歸因于它們的非零核自旋。為了成功進(jìn)行實驗原子工程，科學(xué)家們必須(1)了解如何誘導(dǎo)局部結(jié)構(gòu)變化以提高速度和控制成功率，以及(2)將基本單元過程擴(kuò)展為包含1到1000個的可行結(jié)構(gòu)組件原子產(chǎn)生所需的功能。

研究人員之前曾使用掃描隧道顯微鏡來證明單個原子的良好逐步控制，以獲得物理化學(xué)見解和技術(shù)進(jìn)步。然而，該技術(shù)的可擴(kuò)展性和吞吐量受到機(jī)械探針運(yùn)動的嚴(yán)重限制，因此研究人員引入像差校正掃描透射電子顯微鏡(STEM)作為表征材料精確原子結(jié)構(gòu)的多功能工具。盡管仍處于開發(fā)的早期階段，但該技術(shù)顯示出在原子水平上控制材料的更大希望。例如，在二維(2-D)石墨烯中，可以逐步控制硅摻雜劑迭代允許以高吞吐量進(jìn)行遠(yuǎn)程移動的基本步驟。在3-D硅晶體中也觀察到類似的結(jié)果。

通過基于STEM的原子工程，科學(xué)家們的目標(biāo)是使用電子束并實現(xiàn)所需的配置變化。該方法的缺點(diǎn)包括對相對論電子 - 核碰撞，電子激發(fā)和弛豫，動態(tài)離子軌跡和增加的不確定性的不精確理解。

石墨烯中競爭性實驗P摻雜動力學(xué)的圖解及其控制?？蚣苁侵薪黔h(huán)形暗場圖像，并且每種摻雜劑的化學(xué)特性通過電子能量損失光譜(EELS)確認(rèn)。(A)三幀顯示較亮(由于其較大的散射對比度)P原子和C鄰居之間的直接交換，具有初始(幀1)，轉(zhuǎn)換(幀2)和最終配置(幀3)。白色和黑色虛線表示交換發(fā)生時掃描光束的行。掃描速度，每幀8.4秒。沒有進(jìn)行后期處理。(B)四幀顯示直接交換(幀1和2)和SW轉(zhuǎn)換(幀2到4)。比例尺，2Å。掃描速度，每幀0.07秒。為清楚起見，應(yīng)用具有2像素×2像素內(nèi)核的中值濾波器。在小型子掃描窗口中采集EELS期間捕獲SW轉(zhuǎn)換，以增強(qiáng)用于識別摻雜劑的光譜的信噪比，并實現(xiàn)更快的掃描速率幀，從而更好地捕獲原子動力學(xué)。(C)相鄰的C原子被電子束擊倒，將三重協(xié)調(diào)的P轉(zhuǎn)換為四倍協(xié)調(diào)的P.掃描速度，每幀8秒。沒有進(jìn)行后期處理。(D)P摻雜劑被C原子取代。掃描速度，每幀4秒。不同的圖像顏色編碼代表不同的類別：灰色代表原子保存過程，品紅色代表原子非保存過程。(A)和(B)中的藍(lán)色和紅色虛線圓圈表示石墨烯的不等價晶格位置，(C)和(D)中的綠色虛線圓圈表示未被保存的原子的位置。(E和F)有意控制P原子的直接交換。黃色十字表示電子束停留10秒的位置，以便有目的地將P原子移動一個晶格位置。綠色和藍(lán)色虛線圓圈表示石墨烯的兩個非等價晶格位置。插圖：應(yīng)用高斯濾波器后的感興趣區(qū)域，(G)控制過程的示意圖，其中電子束由聚焦在相鄰C原子上的綠色圓錐表示。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aav2252 應(yīng)用高斯濾波器后的感興趣區(qū)域，(G)控制過程的示意圖，其中電子束由聚焦在相鄰C原子上的綠色錐體表示。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aav2252 應(yīng)用高斯濾波器后的感興趣區(qū)域，(G)控制過程的示意圖，其中電子束由聚焦在相鄰C原子上的綠色錐體表示。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aav2252

在目前的工作中，Su等人。使用STEM來驅(qū)動和識別石墨烯中單個磷(P)摻雜劑中原子的運(yùn)動。接下來，構(gòu)建一個理論方案來測試摻雜劑的相對概率，與電子能量和動量檢測相比較。他們將動態(tài)分為四組：

直接原子交換

石 - 威爾士過渡保護(hù)原子(由于原子重排導(dǎo)致重要的化學(xué)，電學(xué)和機(jī)械性質(zhì)改變。)

淘汰碳C鄰居，和

用碳C代替摻雜劑原子，這不保留材料的局部組成。

用abMD計算石墨烯中P摻雜動力學(xué)的機(jī)理。(A至C)當(dāng)P雜質(zhì)的C鄰居被給予初始平面外動量時獲得的不同可能晶格變換的角分布圖。碳上的相應(yīng)初始動能E為(A)15.0，(B)16.0和(C)17.0eV。這些極坐標(biāo)圖中的標(biāo)記表示動態(tài)結(jié)果：C敲除為紅色三角形，直接交換為藍(lán)色方塊，SW轉(zhuǎn)換為品紅色圓圈，未變化的晶格為黑色交叉。例如，(D)SW轉(zhuǎn)換的快照(θ= 20°，φ= 75°，E = 15.0 eV)，(E)C敲除(θ= 20°，φ= 180°，E = 17.0 eV)，( F)顯示直接交換(θ= 0°，E = 17.0eV)和(G)未改變的結(jié)構(gòu)(θ= 25°，φ= 285°，E = 15.0eV)。紅色箭頭表示沿著平面內(nèi)和法向平面方向(長度不按比例)的C動量的方向，其中(G)中示出了球面坐標(biāo)角θ和φ的定義。(H)cNEB阻擋層，用于建議由C置換P摻雜劑的機(jī)制。插入：初始，鞍點(diǎn)和最終配置。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aav2252

科學(xué)家使用60 eV電子能量束，并在電子 - 原子碰撞過程中最大化直接交換和SW躍遷的速率。蘇等人。在實驗中使用碳作為主要的敲入原子(PKA)并且保持PKA的電子后碰撞能量在10eV的量級。在實驗中，它們沒有將電子束直接對準(zhǔn)摻雜劑本身，而是針對摻雜劑的碳鄰居。

蘇等人。然后在該研究中開發(fā)了一種稱為“初級撞擊空間”(PKS)的理論方案，以估計不同電子誘導(dǎo)動力學(xué)的相對散射截面。由于樣品或電子束傾斜以選擇性地激活期望的結(jié)果，結(jié)果可以變化。科學(xué)家們提供了額外的計算實驗驗證，為聚焦電子輻射開辟了原子工程的新途徑。

不同雜質(zhì)元素的動力學(xué)比較。(A)正面碰撞(θ= 0°)的Al，Si和P之間的直接交換能量范圍的比較。(B)在實驗上，在60keV的連續(xù)輻射7分鐘后觀察到Al摻雜劑和附近的兩個碳原子的敲除，對應(yīng)于(A)中預(yù)測的低位移閾值。紅色圓圈標(biāo)記在第二幀中移位的原子。(C)對于各種元素(C，4.6eV; N，3.6eV; B，2.4eV; P，1.6eV; Si，示出了從55-77結(jié)構(gòu)返回到原始晶格的構(gòu)型變化的能壘(Ea)。 0.8eV; Al，0.2eV)。插圖：SW過渡能量分布中Ea的定義，其中原始曲線可以在圖2中找到。S4。(D)實驗觀察到的N摻雜劑在60keV下的SW躍遷。信用：

在實踐中，科學(xué)家的目標(biāo)是精確控制原子及其電子或核態(tài)，以應(yīng)用于原子鐘和原子存儲器件。原子工程的長期愿景是將各個原子精確定位在所需的內(nèi)部狀態(tài)，包括核自旋，然后成像和控制1到1000個原子的原子組件。

蘇等人。在目前的工作中實現(xiàn)了幾種原子動力學(xué)，它們被歸類為原子保存動力學(xué)(所需)或原子非保守動力學(xué)(不需要)。對于原子保存動力學(xué)，它們包括(A)磷(摻雜劑)和碳之間的直接交換。(B)具有PC鍵90度旋轉(zhuǎn)的SW轉(zhuǎn)變，其中原子保存動力學(xué)包括碳敲除。然后對于原子非保守動力學(xué)，科學(xué)家們包括(C)使用電子束敲除PKA和(D)替換摻雜劑原子。

為了解釋原子過程，科學(xué)家們進(jìn)行了廣泛的ab-initio分子動力學(xué)(abMD)模擬和攀爬圖像輕推彈性帶(cNEB)計算。他們可視化對應(yīng)于石墨烯中PKA的初始碰撞后動能的各種P摻雜劑動力學(xué)的分布。科學(xué)家們通過模擬引發(fā)了一系列與聚焦電子的碰撞，期望通過控制電子束進(jìn)行原子結(jié)構(gòu)演化，在實驗上以預(yù)先設(shè)計的方式到達(dá)，相對容易。

PKS：用于評估不同動態(tài)過程的橫截面的方案。(A)用于描述PKS的球面坐標(biāo)系(具有定義動量方向的θ和φ，以及定義C鄰居的后碰撞動能E的半徑)。(B)PKS的垂直截面，顯示向上的60keV電子束(θ~e= 0°)與移動的PKA相互作用的函數(shù)f(以下稱為“卵形”)的分布(E = 0至0) 1 eV)。(C)振動PKA的卵形(我們在這里使用E?= 0.5 eV用于放大的圖示)與不同的結(jié)果區(qū)域相交，其中在(D)中，交叉點(diǎn)被投影到極坐標(biāo)圖。標(biāo)有a和c的品紅色區(qū)域代表SW過渡(分別為順時針和逆時針)，標(biāo)有b的藍(lán)色區(qū)域代表直接交換。(E)決策樹，顯示原子 - 電子相互作用的可能結(jié)果，其中通過每條路徑的概率與橫截面成比例。(F)作用于振動PKA(E = 0.5eV)的傾斜電子束(θ~e= 17.2°，φ~e= 15°)的PKS和卵形，(G)顯示投射的不同交叉點(diǎn)到極地情節(jié)。這里，僅激活順時針SW轉(zhuǎn)換，在品紅色區(qū)域中用d標(biāo)記。(H)實驗觀察到如在(F)和(G)中在傾斜樣品中活化的Si摻雜劑的順時針SW轉(zhuǎn)變。在(E)中的決策樹旁邊放置三個相應(yīng)的階段，其中實驗狀態(tài)用黑色方塊標(biāo)記，并且觀察到的路徑由較粗的分支表示。視場：1nm×1nm。(I)相對于石墨烯平面傾斜的電子束的側(cè)透視圖。在(H)中的所有幀中，樣品保持這樣傾斜。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aav2252

在這項研究中，科學(xué)家們從一個初始的配置狀態(tài)I iniital開始，該狀態(tài)精確地成像在其期望的中間配置軌跡中，最終到達(dá)I final ; 很像一個魔方，但有可能性。蘇等人。在玩游戲時平衡“風(fēng)險”和“速度”，因為原子系統(tǒng)可能包含陷阱狀態(tài)(陷阱)，嚴(yán)重延遲原子配置到達(dá)I final或使其成就不可能。科學(xué)家們還將這一過程的概率性質(zhì)與足球比賽進(jìn)行了比較; 他們使用計算預(yù)測和絕對轉(zhuǎn)換率來優(yōu)化設(shè)計實驗中的總風(fēng)險/速度。

由于預(yù)測和比較動態(tài)過程的散射截面的過程對于原子工程是必不可少的，Su等人。開發(fā)了PKS(初級撞擊空間)形式?；诖?，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)PKA的動量分布在電子碰撞后具有卵形輪廓，其形狀相對于入射電子的能量和方向以及由于原子的預(yù)碰撞動量而改變?？茖W(xué)家提出使用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能，了解未來的單元和裝配過程。在目前的工作中，科學(xué)家使用決策樹來預(yù)測原子工程中可能的進(jìn)化路徑，其中根節(jié)點(diǎn)指示初始結(jié)構(gòu)，子節(jié)點(diǎn)推斷下一個可能的結(jié)果。

通過這種方式，蘇等人。揭示了原子工程的物理學(xué)，并使用計算/分析框架作為開發(fā)進(jìn)一步技術(shù)來控制三維材料中單原子動力學(xué)的基礎(chǔ)?？茖W(xué)家的目標(biāo)是最終從單個原子開始放大多個原子，以高速和高效率以所需的配置組裝1-1000個原子。