創新方法為原子尺度精確調控材料開辟新可能智能傳感器。

奧地利科學家取得了一項突破，首次將單個鉑原子嵌入超薄材料中，并以原子精度確定了它們在晶格中的位置智能傳感器。

來自維也納大學和維也納工業大學（TU Wien）的研究團隊采用了一種新方法，該方法結合了主體材料的缺陷工程、鉑原子的受控放置，以及一種名為疊層成像（ptychography）的尖端高對比度電子成像技術智能傳感器。

納米結構材料物理領域的專家、研究小組負責人亞尼·科塔科斯基（Jani Kotakoski）博士強調指出，這一成就為以原子精度定制材料奠定了基礎智能傳感器。

活性中心是材料表面發生化學反應或氣體分子可特異性結合的微小位點，對于提高催化及氣體檢測所用材料的效率、選擇性和整體性能至關重要智能傳感器。當這些中心由鉑等單個金屬原子組成時尤其有效。研究團隊的目標不僅是制備這樣的單原子中心，還要以原子級精度對其進行可視化觀察。

原子晶格內部

主體材料二硫化鉬（MoS?）以其高度可調的結構而聞名，是一種超薄半導體智能傳感器。為了引入新的活性位點，科學家們利用氦離子輻照在其表面刻意制造原子尺度的缺陷，例如硫空位。

然后，研究人員有選擇性地用單個鉑原子填充了這些空位，從而實現了在原子水平上對材料的調控智能傳感器。這種精確的原子置換（稱為摻雜）能夠針對特定應用（如催化或氣體檢測）對材料性能進行微調。

然而，由于傳統電子顯微鏡缺乏清晰區分單硫空位和雙硫空位等缺陷類型所需的對比度，以往的研究未能提供外來原子在原子晶格中確切位置的直接證據智能傳感器。

為了解決這一挑戰，該團隊現在使用了一種名為單邊帶疊層成像（SSB）的先進成像方法智能傳感器。該技術通過分析電子衍射圖樣，實現了原子級分辨率。

“通過結合缺陷工程、摻雜和疊層成像技術，我們甚至能夠觀察到原子晶格中的細微差異 —— 并明確判斷出鉑原子是已嵌入空位中，還是僅松散地附著在表面，”該研究的第一作者、維也納大學微電子研究所碩士生大衛·蘭普雷希特（David Lamprecht）解釋道智能傳感器。

在計算機模擬的幫助下，科學家們能夠精確識別鉑原子不同的嵌入位置（例如最初由硫原子或鉬原子占據的位置），這標志著朝著目標材料設計邁出了關鍵一步智能傳感器。

未來潛力

研究團隊相信，將靶向原子放置與原子級精確成像相結合，為先進的催化劑設計和高度選擇性的氣體傳感開辟了新的可能性智能傳感器。

當單個鉑原子被放置在精確定義的位置時，它們可以作為高效催化劑（例如在環保制氫過程中）智能傳感器。同時，這種材料也可以被定制，使其選擇性地響應特定的氣體分子。

科塔科斯基在新聞稿中總結道：“憑借這種對原子位置的控制水平，我們可以開發出選擇性功能化的傳感器 —— 這是對現有方法的重大改進智能傳感器。”

據研究團隊稱，該方法不僅限于鉑和二硫化鉬，還可廣泛應用于各種二維材料和摻雜原子組合智能傳感器。

研究人員希望通過更精確地控制缺陷的產生并結合后處理步驟，進一步完善該技術智能傳感器。他們的最終目標是開發具有定制性能的功能材料，其中每個原子的位置都絕對精確。

該研究已發表在《納米快報》期刊上智能傳感器。

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