中國(guó)科大合作在二維材料異質(zhì)外延生長(zhǎng)研究中取得新進(jìn)展

　　近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室博士后陳偉 ，與美國(guó)田納西大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、北京大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的同行合作，揭示了弱的范德瓦爾斯力與強(qiáng)的界面化學(xué)鍵在決定生長(zhǎng)過(guò)程中二維材料相對(duì)于襯底晶格的取向時(shí)所起的關(guān)鍵協(xié)同作用。相關(guān)研究成果于11月10日在線發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院刊》上，陳偉為論文共同第一作者。

　　二維材料具有很多優(yōu)越的物理與化學(xué)性質(zhì)。隨著Geim和Novoselov于2004年成功地機(jī)械剝離出單層石墨烯，越來(lái)越多的凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)研究集中在二維材料，并制備出二硫化鉬與氮化硼等新的單層體系。為了進(jìn)一步拓展可能存在的新奇物理現(xiàn)象并改良出功能更為完美的新型復(fù)合材料，因發(fā)現(xiàn)石墨烯而獲得2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)的Geim及其合作者近期提出了范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的概念，即通過(guò)層與層之間的弱相互作用，將不同的二維材料以一定的順序堆積起來(lái)，從而獲得新的體系與物性。

　　此前的工作大部分基于機(jī)械轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)堆積，層與層之間的相對(duì)角度取向存在著不可避免的不確定性，嚴(yán)重影響了范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的性質(zhì)。近幾年來(lái)，二維材料在金屬上的外延生長(zhǎng)成為一種更有效地控制范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的層間排布的方法。陳偉博士與實(shí)驗(yàn)合作者發(fā)現(xiàn)，盡管單層氮化硼與石墨烯有非常相似的晶格結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)參數(shù)，但當(dāng)它們外延生長(zhǎng)在銅襯底的100表面時(shí)，有非常不同的取向：氮化硼嚴(yán)格地對(duì)準(zhǔn)襯底的高對(duì)稱方向，而石墨烯卻展示很多不同的低對(duì)稱性的排布可能。通過(guò)基于第一性原理的理論計(jì)算，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)石墨烯與銅的相互作用遠(yuǎn)強(qiáng)于氮化硼，導(dǎo)致襯底上相近的銅原子的位置發(fā)生了顯著的畸變，進(jìn)而使得石墨烯在生長(zhǎng)過(guò)程中無(wú)法有效地校準(zhǔn)銅襯底本征的高對(duì)稱方向。

　　作為更強(qiáng)的界面相互作用反而導(dǎo)致更差的空間相對(duì)取向的一個(gè)違反直覺(jué)的例子，該研究不僅豐富了二維材料非平衡生長(zhǎng)的基本概念，也有助于推進(jìn)范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)及其復(fù)合材料在未來(lái)器件中的應(yīng)用。

　　上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和教育部量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心等的資助。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院

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