创新方法为原子尺度精确调控材料开辟新可能。

奥地利科学家取得了一项突破，首次将单个铂原子嵌入超薄材料中，并以原子精度确定了它们在晶格中的位置。

来自维也纳大学和维也纳工业大学（TU Wien）的研究团队采用了一种新方法，该方法结合了主体材料的缺陷工程、铂原子的受控放置，以及一种名为叠层成像（ptychography）的尖端高对比度电子成像技术。

纳米结构材料物理领域的专家、研究小组负责人亚尼·科塔科斯基（Jani Kotakoski）博士强调指出，这一成就为以原子精度定制材料奠定了基础。

活性中心是材料表面发生化学反应或气体分子可特异性结合的微小位点，对于提高催化及气体检测所用材料的效率、选择性和整体性能至关重要。当这些中心由铂等单个金属原子组成时尤其有效。研究团队的目标不仅是制备这样的单原子中心，还要以原子级精度对其进行可视化观察。

原子晶格内部

主体材料二硫化钼（MoS₂）以其高度可调的结构而闻名，是一种超薄半导体。为了引入新的活性位点，科学家们利用氦离子辐照在其表面刻意制造原子尺度的缺陷，例如硫空位。

然后，研究人员有选择性地用单个铂原子填充了这些空位，从而实现了在原子水平上对材料的调控。这种精确的原子置换（称为掺杂）能够针对特定应用（如催化或气体检测）对材料性能进行微调。

然而，由于传统电子显微镜缺乏清晰区分单硫空位和双硫空位等缺陷类型所需的对比度，以往的研究未能提供外来原子在原子晶格中确切位置的直接证据。

为了解决这一挑战，该团队现在使用了一种名为单边带叠层成像（SSB）的先进成像方法。该技术通过分析电子衍射图样，实现了原子级分辨率。

“通过结合缺陷工程、掺杂和叠层成像技术，我们甚至能够观察到原子晶格中的细微差异 —— 并明确判断出铂原子是已嵌入空位中，还是仅松散地附着在表面，”该研究的第一作者、维也纳大学微电子研究所硕士生大卫·兰普雷希特（David Lamprecht）解释道。

在计算机模拟的帮助下，科学家们能够精确识别铂原子不同的嵌入位置（例如最初由硫原子或钼原子占据的位置），这标志着朝着目标材料设计迈出了关键一步。

未来潜力

研究团队相信，将靶向原子放置与原子级精确成像相结合，为先进的催化剂设计和高度选择性的气体传感开辟了新的可能性。

当单个铂原子被放置在精确定义的位置时，它们可以作为高效催化剂（例如在环保制氢过程中）。同时，这种材料也可以被定制，使其选择性地响应特定的气体分子。

科塔科斯基在新闻稿中总结道：“凭借这种对原子位置的控制水平，我们可以开发出选择性功能化的传感器 —— 这是对现有方法的重大改进。”

据研究团队称，该方法不仅限于铂和二硫化钼，还可广泛应用于各种二维材料和掺杂原子组合。

研究人员希望通过更精确地控制缺陷的产生并结合后处理步骤，进一步完善该技术。他们的最终目标是开发具有定制性能的功能材料，其中每个原子的位置都绝对精确。

该研究已发表在《纳米快报》期刊上。

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