Npj Comput. Mater.: 衬底选择对可控制备二维材料具有关键作用

2022-08-16 03:08

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可控制备高质量二维材料对其在未来纳米电子器件的应用至关重要。前期研究表明，通过气相沉积方法在衬底表面合成二维材料时，二维材料晶体的高对称方向倾向于沿着衬底的高对称方向排列。在此基础上，我们发现二维材料的晶体取向取决于二维材料及衬底的对称性，当衬底对称点群是二维材料点群的子群时，二维晶体在衬底表面将会具有同一取向；而衬底点群不是二维材料点群的子群时，二维晶体在衬底表面会有等价但不同的晶体取向。由此，我们提出在低对称性的高指数晶面上通过大量取向一致的二维晶体之间的无缝融合方法来制备大尺寸单晶二维材料（Nat. Commun. 11: 5862 (2020)）。该方法已成为近年来制备大尺寸单晶二维材料的普适方法。

然而，相较于高对称性的低指数晶面，低对称性的高指数晶面具有较高的表面能，通过传统的高温退火方法很难得到大面积高指数晶面的衬底，相反，实验中往往会得到高对称性的低指数晶面衬底。以面心立方金属衬底为例，高温退火往往会得到具有近六重对称的(111)晶面、四重对称的(100)晶面及二重对称的(110)晶面。在大部分情况下，衬底的对称点群并不是二维材料点群的子群，使得二维晶体在衬底表面上具有不同的最优生长取向，在二维晶体的生长融合过程中产生多晶。实验上，人们已经发现了具有不同结构的二维多晶的形成，但是，二维多晶的形成机制并不明确。

图1.a具有最多 (12) 个凸顶点的稳态多晶的构造示意图，该凸顶点由具有四个不同取向的三角形晶粒在 fcc(100) 表面上的聚结形成。b , c分别基于12个凸顶点多晶的11和4凸顶点稳态多晶结构示意图。选择消失的凸顶点由虚线轮廓表示。d PFT 模拟显示了通过四个具有不同取向的单晶岛的聚结形成多晶的示例。

来自韩国基础科学研究院多维碳材料中心的丁峰教授，中国科学院化学研究所的董际臣研究员及刘云圻院士，基于二维材料在衬底表面的晶体取向及相场模拟，提出了一种普适的预测并构建二维多晶的策略。研究发现，二维多晶的结构取决于二维材料及衬底的对称性，二维多晶的形成过程取决于组成该多晶的晶畴形核的相对位置。当三重对称的二维材料（如六方氮化硼、过渡金属硫族化物等）在二重或六重对称的衬底表面生长时，二维材料将有两个最优的晶体取向，任意多个不同取向的晶体融合将会产生4种不同类型的多晶；三重对称的二维材料在四重对称的衬底表面生长时，二维材料将有四个最优的晶体取向，可形成227种多晶结构；四重对称的二维材料（如硒化铁等）在三重或六重对称的衬底表面生长时，二维材料将有三个最优的晶体取向，可形成131种多晶结构；六重对称的二维材料（如石墨烯）在四重对称的衬底表面生长时，二维材料将有两个最优的晶体取向，可形成30种多晶结构。以上理论预测结果与已有实验吻合。

图2. a , b PFT 模拟显示了两个方形晶粒的两个聚结过程，分别具有 30度的逆时针取向角。第五个面板被缩小以获得更好的视图。c逆时针方向错位角为 30 度的两个方形二维晶粒聚结的形貌图。在左侧面板中，第一个颗粒由蓝色方块表示。第二个晶粒（红色小方块）在浅灰色区域 1 或深灰色区域 1 中成核。右侧面板中的形状 1 或 2 将在这两个晶粒合并后最终形成，第二个晶粒在区域 1 或区域 2，分别。, e _PFT 模拟显示了两个方形晶粒的两个聚结过程，分别具有 60度的逆时针取向误差。

该研究系统揭示了二维多晶的机构及形成机制，有助于实验通过选取适当衬底以可控制备二维材料。该文近期发表于npj Computational Materials 8: 109 (2022)。