原子工程可以选择性地诱导单个原子上的特定动力学

原子工程可以选择性地诱导单个原子上的特定动力学，然后通过组合步骤形成大规模组件。在现在发表在Science Advances上的一项新研究中，丛苏和材料科学，电子，物理，纳米科学和光电技术部门的国际跨学科科学家团队; 首先调查了石墨烯掺杂剂的单步动力学。然后他们开发了一个理论来描述基于实验装置中碰撞后初级碰撞原子的动量的结构结果的概率。苏等人。结果表明，预测的构型转化分支比与单原子实验吻合良好。结果表明，将单原子动力学偏向于感兴趣的结果，将为利用电子辐射设计和扩大原子工程铺平道路。

控制材料的确切原子结构是原子工程的最终形式。原子操纵和原子 - 原子组装可以通过精确定位原子掺杂剂以改变碳纳米管和石墨烯的性质而产生在合成上难以实现的功能结构。例如，在量子信息学中，氮(N)或磷(P)掺杂剂可以归因于它们的非零核自旋。为了成功进行实验原子工程，科学家们必须(1)了解如何诱导局部结构变化以提高速度和控制成功率，以及(2)将基本单元过程扩展为包含1到1000个的可行结构组件原子产生所需的功能。

研究人员之前曾使用扫描隧道显微镜来证明单个原子的良好逐步控制，以获得物理化学见解和技术进步。然而，该技术的可扩展性和吞吐量受到机械探针运动的严重限制，因此研究人员引入像差校正扫描透射电子显微镜(STEM)作为表征材料精确原子结构的多功能工具。尽管仍处于开发的早期阶段，但该技术显示出在原子水平上控制材料的更大希望。例如，在二维(2-D)石墨烯中，可以逐步控制硅掺杂剂迭代允许以高吞吐量进行远程移动的基本步骤。在3-D硅晶体中也观察到类似的结果。

通过基于STEM的原子工程，科学家们的目标是使用电子束并实现所需的配置变化。该方法的缺点包括对相对论电子 - 核碰撞，电子激发和弛豫，动态离子轨迹和增加的不确定性的不精确理解。

石墨烯中竞争性实验P掺杂动力学的图解及其控制。框架是中角环形暗场图像，并且每种掺杂剂的化学特性通过电子能量损失光谱(EELS)确认。(A)三帧显示较亮(由于其较大的散射对比度)P原子和C邻居之间的直接交换，具有初始(帧1)，转换(帧2)和最终配置(帧3)。白色和黑色虚线表示交换发生时扫描光束的行。扫描速度，每帧8.4秒。没有进行后期处理。(B)四帧显示直接交换(帧1和2)和SW转换(帧2到4)。比例尺，2Å。扫描速度，每帧0.07秒。为清楚起见，应用具有2像素×2像素内核的中值滤波器。在小型子扫描窗口中采集EELS期间捕获SW转换，以增强用于识别掺杂剂的光谱的信噪比，并实现更快的扫描速率帧，从而更好地捕获原子动力学。(C)相邻的C原子被电子束击倒，将三重协调的P转换为四倍协调的P.扫描速度，每帧8秒。没有进行后期处理。(D)P掺杂剂被C原子取代。扫描速度，每帧4秒。不同的图像颜色编码代表不同的类别：灰色代表原子保存过程，品红色代表原子非保存过程。(A)和(B)中的蓝色和红色虚线圆圈表示石墨烯的不等价晶格位置，(C)和(D)中的绿色虚线圆圈表示未被保存的原子的位置。(E和F)有意控制P原子的直接交换。黄色十字表示电子束停留10秒的位置，以便有目的地将P原子移动一个晶格位置。绿色和蓝色虚线圆圈表示石墨烯的两个非等价晶格位置。插图：应用高斯滤波器后的感兴趣区域，(G)控制过程的示意图，其中电子束由聚焦在相邻C原子上的绿色圆锥表示。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aav2252 应用高斯滤波器后的感兴趣区域，(G)控制过程的示意图，其中电子束由聚焦在相邻C原子上的绿色锥体表示。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aav2252 应用高斯滤波器后的感兴趣区域，(G)控制过程的示意图，其中电子束由聚焦在相邻C原子上的绿色锥体表示。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aav2252

在目前的工作中，Su等人。使用STEM来驱动和识别石墨烯中单个磷(P)掺杂剂中原子的运动。接下来，构建一个理论方案来测试掺杂剂的相对概率，与电子能量和动量检测相比较。他们将动态分为四组：

直接原子交换

石 - 威尔士过渡保护原子(由于原子重排导致重要的化学，电学和机械性质改变。)

淘汰碳C邻居，和

用碳C代替掺杂剂原子，这不保留材料的局部组成。

用abMD计算石墨烯中P掺杂动力学的机理。(A至C)当P杂质的C邻居被给予初始平面外动量时获得的不同可能晶格变换的角分布图。碳上的相应初始动能E为(A)15.0，(B)16.0和(C)17.0eV。这些极坐标图中的标记表示动态结果：C敲除为红色三角形，直接交换为蓝色方块，SW转换为品红色圆圈，未变化的晶格为黑色交叉。例如，(D)SW转换的快照(θ= 20°，φ= 75°，E = 15.0 eV)，(E)C敲除(θ= 20°，φ= 180°，E = 17.0 eV)，( F)显示直接交换(θ= 0°，E = 17.0eV)和(G)未改变的结构(θ= 25°，φ= 285°，E = 15.0eV)。红色箭头表示沿着平面内和法向平面方向(长度不按比例)的C动量的方向，其中(G)中示出了球面坐标角θ和φ的定义。(H)cNEB阻挡层，用于建议由C置换P掺杂剂的机制。插入：初始，鞍点和最终配置。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aav2252

科学家使用60 eV电子能量束，并在电子 - 原子碰撞过程中最大化直接交换和SW跃迁的速率。苏等人。在实验中使用碳作为主要的敲入原子(PKA)并且保持PKA的电子后碰撞能量在10eV的量级。在实验中，它们没有将电子束直接对准掺杂剂本身，而是针对掺杂剂的碳邻居。

苏等人。然后在该研究中开发了一种称为“初级撞击空间”(PKS)的理论方案，以估计不同电子诱导动力学的相对散射截面。由于样品或电子束倾斜以选择性地激活期望的结果，结果可以变化。科学家们提供了额外的计算实验验证，为聚焦电子辐射开辟了原子工程的新途径。

不同杂质元素的动力学比较。(A)正面碰撞(θ= 0°)的Al，Si和P之间的直接交换能量范围的比较。(B)在实验上，在60keV的连续辐射7分钟后观察到Al掺杂剂和附近的两个碳原子的敲除，对应于(A)中预测的低位移阈值。红色圆圈标记在第二帧中移位的原子。(C)对于各种元素(C，4.6eV; N，3.6eV; B，2.4eV; P，1.6eV; Si，示出了从55-77结构返回到原始晶格的构型变化的能垒(Ea)。 0.8eV; Al，0.2eV)。插图：SW过渡能量分布中Ea的定义，其中原始曲线可以在图2中找到。S4。(D)实验观察到的N掺杂剂在60keV下的SW跃迁。信用：

在实践中，科学家的目标是精确控制原子及其电子或核态，以应用于原子钟和原子存储器件。原子工程的长期愿景是将各个原子精确定位在所需的内部状态，包括核自旋，然后成像和控制1到1000个原子的原子组件。

苏等人。在目前的工作中实现了几种原子动力学，它们被归类为原子保存动力学(所需)或原子非保守动力学(不需要)。对于原子保存动力学，它们包括(A)磷(掺杂剂)和碳之间的直接交换。(B)具有PC键90度旋转的SW转变，其中原子保存动力学包括碳敲除。然后对于原子非保守动力学，科学家们包括(C)使用电子束敲除PKA和(D)替换掺杂剂原子。

为了解释原子过程，科学家们进行了广泛的ab-initio分子动力学(abMD)模拟和攀爬图像轻推弹性带(cNEB)计算。他们可视化对应于石墨烯中PKA的初始碰撞后动能的各种P掺杂剂动力学的分布。科学家们通过模拟引发了一系列与聚焦电子的碰撞，期望通过控制电子束进行原子结构演化，在实验上以预先设计的方式到达，相对容易。

PKS：用于评估不同动态过程的横截面的方案。(A)用于描述PKS的球面坐标系(具有定义动量方向的θ和φ，以及定义C邻居的后碰撞动能E的半径)。(B)PKS的垂直截面，显示向上的60keV电子束(θ~e= 0°)与移动的PKA相互作用的函数f(以下称为“卵形”)的分布(E = 0至0) 1 eV)。(C)振动PKA的卵形(我们在这里使用E〜= 0.5 eV用于放大的图示)与不同的结果区域相交，其中在(D)中，交叉点被投影到极坐标图。标有a和c的品红色区域代表SW过渡(分别为顺时针和逆时针)，标有b的蓝色区域代表直接交换。(E)决策树，显示原子 - 电子相互作用的可能结果，其中通过每条路径的概率与横截面成比例。(F)作用于振动PKA(E = 0.5eV)的倾斜电子束(θ~e= 17.2°，φ~e= 15°)的PKS和卵形，(G)显示投射的不同交叉点到极地情节。这里，仅激活顺时针SW转换，在品红色区域中用d标记。(H)实验观察到如在(F)和(G)中在倾斜样品中活化的Si掺杂剂的顺时针SW转变。在(E)中的决策树旁边放置三个相应的阶段，其中实验状态用黑色方块标记，并且观察到的路径由较粗的分支表示。视场：1nm×1nm。(I)相对于石墨烯平面倾斜的电子束的侧透视图。在(H)中的所有帧中，样品保持这样倾斜。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aav2252

在这项研究中，科学家们从一个初始的配置状态I iniital开始，该状态精确地成像在其期望的中间配置轨迹中，最终到达I final ; 很像一个魔方，但有可能性。苏等人。在玩游戏时平衡“风险”和“速度”，因为原子系统可能包含陷阱状态(陷阱)，严重延迟原子配置到达I final或使其成就不可能。科学家们还将这一过程的概率性质与足球比赛进行了比较; 他们使用计算预测和绝对转换率来优化设计实验中的总风险/速度。

由于预测和比较动态过程的散射截面的过程对于原子工程是必不可少的，Su等人。开发了PKS(初级撞击空间)形式。基于此，科学家们发现PKA的动量分布在电子碰撞后具有卵形轮廓，其形状相对于入射电子的能量和方向以及由于原子的预碰撞动量而改变。科学家提出使用机器学习和人工智能，了解未来的单元和装配过程。在目前的工作中，科学家使用决策树来预测原子工程中可能的进化路径，其中根节点指示初始结构，子节点推断下一个可能的结果。

通过这种方式，苏等人。揭示了原子工程的物理学，并使用计算/分析框架作为开发进一步技术来控制三维材料中单原子动力学的基础。科学家的目标是最终从单个原子开始放大多个原子，以高速和高效率以所需的配置组装1-1000个原子。