Competition between vacancy creation and filling in defect-engineering of hBN
通过利用超低能氩离子辐照自支撑单层六方氮化硼（hBN），本研究揭示了硼单空位是主要的缺陷形成形式，这与模拟预测相反，同时发现杂质驱动的空位填充所起的作用比此前假设的更为显著，从而使量子发射体的选择性工程化变得更加复杂。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
六方氮化硼是一种看起来和摸起来有点像原子制成的纸张的材料，但它极其坚固且不导电。多年来，科学家们一直对这样一个想法感到着迷：这种原子层中微小的缺陷可以作为量子发射器，即能够为未来技术（如超安全通信或先进计算机）提供动力的光源。然而，一个主要的障碍一直阻碍着这一进程：虽然研究人员知道这些光源源于晶体结构中缺失的原子，即空位，但他们一直难以精确控制究竟是哪些原子缺失了。由于无法实现按需创造特定类型的缺失原子，想要将特定的缺陷与它发出的特定颜色的光联系起来几乎是不可能的。为了解决这个问题，科学家们尝试向材料中射入不同种类的粒子，但结果往往是不可预测的，或者难以清晰观察。
最近，一个研究小组采取了一种全新的方法来解决这个问题，他们向单层六方氮化硼发射了一束氩离子流。他们使用的离子能量非常低，仅足以将原子撞离原位，而不至于粉碎整个薄层。在开始之前，他们通过在真空中加热来制备材料，以确保表面尽可能干净，去除任何可能干扰实验的灰尘或化学残留物。然后，他们将洁净的薄层暴露在离子束下精确的时间内，旨在创造出受控数量的缺陷。轰击结束后，他们使用一台能够看到单个原子的强力电子显微镜对材料进行了检查，从而能够精确计数发生了哪些变化。
结果令团队感到惊讶，并挑战了多年来计算机模拟所预测的结果。理论模型曾暗示，低能离子会比硼原子更频繁地撞出氮原子，或者产生成对的缺失原子。相反，研究人员发现，离子压倒性地移除了单个硼原子，在原本硼原子存在的地方留下了空位。这些单硼空位是最常见的缺陷，出现的频率大约是双空位（即两个原子缺失）的两倍。这一发现表明，在这种特定条件下，这些缺陷的形成方式比之前认为的更具选择性，即倾向于移除硼而非氮。
然而，故事并未止步于简单的空位。随着研究人员观察得更加深入，他们发现了第二个被很大程度上忽视了的竞争过程。当离子在撞出原子时，周围环境中的其他原子正纷纷涌入以填补空隙。具体来说，来自周围污染物的硅原子跳入了空的硼位点。这种空位填充发生的频率如此之高，以至于创造了大量看起来与原始空位不同的新缺陷。研究人员发现，每产生几个空位，往往就会有一个硅原子取代其位置，有效地掩盖了原始的损伤。这意味着，仅仅计数离子留下的孔洞是不够的；人们还必须考虑那些溜进来修补孔洞的新原子。
该团队还将他们的发现与类似离子撞击石墨烯（一种完全由碳组成的材料）时发生的情况进行了比较。在石墨烯中，离子倾向于创造成对的缺失原子，且杂质不会轻易填补这些间隙。在六方氮化硼中，情况则有所不同：单个缺失原子更为常见，且杂质对这些间隙的填充是一个重要因素。这种差异凸显了管理这种材料中缺陷形成的规则是独特的，并且比其他二维材料更为复杂。研究人员指出，他们的测量显示出对硼空位的明显偏好，这一发现与早期的模拟预测相矛盾，之前的模拟预测会出现氮空位和硼空位的混合，或者以氮空位为主。
尽管填充原子引入了复杂性，但这项研究证实了使用极低能离子是创造六方氮化硼缺陷的一种非常高效的方法。该过程创造的缺陷密度既足以用于工程目的，又足够低，使得离子主要击中材料的原始区域，而不是堆积在同一个位置。研究人员得出结论，虽然创造特定缺陷的能力前景广阔，但那些杂质原子（如硅）对缺陷的不可控填充提出了重大挑战。如果科学家想要利用这种材料制造可靠的量子器件，他们需要找到一种方法来防止这些杂质原子填补空位，或者至少学会像精确控制孔洞的产生那样，去精确控制这个填充过程。这项工作提供了一幅更清晰的地形图，表明控制这种材料中量子发射器的路径不仅涉及撞出原子，还涉及管理那个试图将其填回的混乱环境。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。