▲Alexander Holleitner教授、Christoph Kastl博士和Elmar Mitterreiter在原子极限下进行HIM光刻。
Alexander Holleitner教授及其团队来自德国慕尼黑工业大学Walter Schottky研究所（WSI）下属的纳米技术和纳米材料研究中心。正如该所名称所示，其研究方向是纳米材料领域的二维半导体和拓扑量子材料。该团队主要关注纳米级电路在光电和光伏特性以及通信和信息技术领域的应用。为此，他们主要研究纳米级结构以及材料的原子级操纵和观测。
据Nature Communications和Nano Letters上最新发表的文章报道，Holleitner教授和Finley教授率领的WSI团队利用蔡司氦离子显微镜，在二维半导体材料二硫化钼（MoS2）中精心设计了原子缺陷。关于他们的研究，我们采访了Holleitner教授和Elmar Mitterreiter——该团队的成员之一、同时也是该系列文章的共同作者。
是什么科学问题促使您开展这项研究？
量子技术的重要性日益凸显。为了探索信息技术的最小单元、寻求合适量子技术的基质材料，人们开展了深入广泛的研究。在这个过程中，我们急需一种易调整、快速且高精密度的纳米图案加工技术，从而在合适的材料中创建最小的功能单元。二维材料不仅具有独特的电子和光学性质，还可以提供平面外（out-of-plane）方向上的量子限制或限域效应，堪称是基质材料的理想选择。在此基础上，我们提出了这样一个问题：如何在二维材料（如MoS2）中实现原子级别的功能化？例如，如何在大规模应用中精密构建具有光学活性的原子缺陷？在加工和应用过程中的实际物理过程又是什么？
蔡司氦离子显微镜（HIM）是如何实现上述工作的？
▲利用氦离子显微镜（HIM）对二维材料进行高分辨率图案加工。此图展示了氦离子束（红色）照射下的单层二硫化钼以及利用扫描隧道显微镜（STM）进行后续研究。
基于二维材料本身的特质，对其的纳米级加工就需要很高的表面灵敏度。此外，潜在的工业界应用还需要我们的加工工艺能满足高精度、可扩展和快速图案加工的要求。
蔡司氦离子显微镜（HIM）（点击查看）正是集所需的各种特性于一身的解决方案。对于本实验中使用的MoS2二维材料，氦离子与MoS2在亚纳米尺度上相互作用，以极高的精密度准确地去除MoS2基质晶体中的单个原子。
▲利用氦离子显微镜进行图案加工处理。左图：绿线代表所需加工的间距为20 nm的线形图案。右图：利用扫描隧道显微镜（STM）解析得到的单层二硫化钼的线形图案。从结果中我们可以看到线条的间距为所设计的20 nm，同时我们也发现每条线的平均宽度约为8 nm。STM的测量是在美国伯克利的Molecular Foundry与Bruno Schuler和Alex Weber-Bargioni共同完成的。
您取得的主要成果是什么？其中是否有出人意料或特别振奋人心的成果？
利用氦离子显微镜（HIM）（点击查看），我们能够在二维 MoS2中定点精度在10nm以内空间范围内构建不同类型的晶格缺陷。我们将该精度与氦离子入射离子束直径（＜1 nm）进行比较后发现，产生晶格缺陷的精度主要受来自支撑材料的背散射离子的限制。在进一步的研究中，我们确认了最常出现的晶格缺陷的种类——硫原子空位。这种空位可以作为单光子发射源，从而被用于量子通讯或其他领域。
▲在固定剂量的氦离子照射下测得的二硫化钼扫描隧道显微镜（STM）图像。如图所示，氦离子轰击诱发四种类型的缺陷（标记为I-IV）。此外，带电荷的晶格缺陷在图像中呈现不同的黑色圆环。
资料来源：E. Mitterreiter et al. Nano Letters 2020。
该研究有哪些潜在应用？
以高精度大规模地构建原子缺陷可以实现多种不同的应用。比如上述的单光子发射在诸多量子技术应用中都起到至关重要的作用。我们还发现某些氦离子诱发的缺陷也具有催化活性，可用于将水分解为氢和氧。该过程可以用于可持续清洁能源的供应。
从更广泛的层面上来看，高精度的蔡司氦离子显微镜（HIM）加工功能能实现固态物理学科研人员几十年来梦寐以求的微纳操作。
▲左图：所需氦离子加工的单层二硫化钼的光学显微镜图像。白色方块表示需要固定剂量氦离子照射的区域，白色圆圈表示需要HIM的氦离子束诱发的单点缺陷。右图：黑色矩形（左）相对应的HIM照射区域的光致发光图。黑色区域表示不存在缺陷致发光，绿色和蓝色区域表示存在缺陷致发光。如图所示，与缺陷有关的发光位置与氦离子诱发缺陷的空间位置完全一致。
测量数据由K. Barthelmi和L. Sigl（TUM）提供。
您对下一步的研究方向有何想法？
接下来，我们会更深入地探索氦离子形成的单光子发射源。我们需要全面了解诱导单光子发射的实际物理过程，从而更好地控制并将其运用于各种量子技术，比如量子通讯中的光子纠缠。我们目前尚处于第二次量子革命的起步阶段，要完全理解和控制这些量子现象，还有很长的路要走。
参考文献：
- Atomistic positioning of defects in helium ion treated single layer MoS2. Nano Letters
- Atomistic defects as single-photon emitters in atomically thin MoS2. APL Perspective
- Scalable single-photon sources in atomically thin MoS2. arXivLabs
- Site-selectively generated photon emitters in monolayer MoS2 via local helium ion irradiation. Nature Communications