基于电子辐照的纳米结构构筑及机理研究

Precision fabrication of nanostructures is the main factors which limit the minaturization of device, and the study of nanosystem. Recent studies demonstrate that energetic electron irradiation inside a transmission electron microscope (TEM) is expected to become an important way for precision fabrication of nanostructures. Here, we propose to investigate electron irradiation effects on two-dimensional (2D) layered transition metal disulfides and its application in fabrication of nano- /subnano- structures through a combination of abberation corrected TEM and in-situ measurement technique. In particular, we will focus on three exciting directions: (1) structural evolution of 2D materials under electron irradiation, (2) physical model of electron irradiation, (3) the relationship between atomic structures and properties. The understanding of the interaction between electrons and 2D materials not only lead to new ways to fabricate simple nanostructures and patterns with a precision of subnanometer, but also provide a solution to precisely characterize and evaluate the new phases and new phenomena appeared under electron irradiation. Ultimately, a multifunctional platform which consists of precision nanofabrication, property measurement and atomic structural characterization will be developed. Such platform will be applicable in other low-dimensional materials.

纳米结构精细加工是制约器件小型化发展及纳米器件研究的主要限制因素。最近的研究表明基于透射电镜的高能电子辐照有望成为纳米结构精细加工的重要途径。本项目拟采用单层二维半导体材料作为研究对象，利用球差校正透射电镜和原位性能测量技术，从原子尺度研究二维半导体材料在电子辐照条件下的结构演变规律，阐明结构演变机理；探索高能电子与二维体系的相互作用，建立辐照过程的物理模型；探索二维体系结构与性能的对应关系，为纳米结构的进一步应用提供基础。通过上述研究，不仅为纳米/亚纳米结构按需构筑提供理论基础，也为辐照加工过程中出现的新结构、新现象提供有效的表征和检测方法；逐渐建立起基于原位透射电子显微学技术的集原子结构表征、纳米加工与性能测试于一体的实验平台，促进纳米制造新理论和新技术的提出，为纳米器件研究提供制造和设计基础。项目中发展的辐照加工技术也可以应用到其他低维纳米体系。

纳米结构精细加工是制约器件小型化发展及纳米器件研究的主要限制因素，高能电子辐照有望成为纳米结构精细加工的重要途径，如何正确全面认识电子束辐照的物理本质将成为制约电子束加工技术发展的关键科学问题。本项目采用透射电子显微镜研究低维纳米材料在电子束辐照以及热场机理作用下的结构演变规律，阐明结构演变机理，构建电子束辐照的物理模型，为纳米结构的精确加工及进一步应用提供基础。项目按照计划执行，共发表学术论文12篇，其中SCI收录5篇，受邀综述3篇，会议论文1篇。项目的主要成果包括：1）实现了二维硫族化合物的缺陷和纳米孔在电子束辐照作用下的原位修复并阐明了修复机理，通过电子束辐照调控有望获取高质量的二维晶体材料（Advanced Materials 2018）；2）研究了电子束辐照及热场激励下亚10纳米铜颗粒的尺寸变化过程，发展了一种纳米材料结构稳定极限尺寸的测量方法，阐明了纳米材料稳定极限与透射电镜投影像之间的关系，对材料结构稳定性研究具有重要参考意义（Materials Today Nano 2018）；3）提出了利用电子束辐照在二维衬底上加工准一维结构的技术路线，实现了单壁氮化硼纳米管的可控加工，加工精度优于1纳米，并获得了最小的单壁氮化硼纳米管（Advanced Functional Materials 2017）；4）利用电子束辐照在无定形氧化硅薄膜上成功直写出硅纳米晶，结构电子能量损失谱分析给出了结构变化路径（Research 2019）。