可控制備高質(zhì)量二維材料對其在未來納米電子器件的應(yīng)用至關(guān)重要。前期研究表明，通過氣相沉積方法在襯底表面合成二維材料時，二維材料晶體的高對稱方向傾向于沿著襯底的高對稱方向排列。在此基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)二維材料的晶體取向取決于二維材料及襯底的對稱性，當(dāng)襯底對稱點群是二維材料點群的子群時，二維晶體在襯底表面將會具有同一取向；而襯底點群不是二維材料點群的子群時，二維晶體在襯底表面會有等價但不同的晶體取向。由此，我們提出在低對稱性的高指數(shù)晶面上通過大量取向一致的二維晶體之間的無縫融合方法來制備大尺寸單晶二維材料（Nat. Commun. 11: 5862 (2020)）。該方法已成為近年來制備大尺寸單晶二維材料的普適方法。
然而，相較于高對稱性的低指數(shù)晶面，低對稱性的高指數(shù)晶面具有較高的表面能，通過傳統(tǒng)的高溫退火方法很難得到大面積高指數(shù)晶面的襯底，相反，實驗中往往會得到高對稱性的低指數(shù)晶面襯底。以面心立方金屬襯底為例，高溫退火往往會得到具有近六重對稱的(111)晶面、四重對稱的(100)晶面及二重對稱的(110)晶面。在大部分情況下，襯底的對稱點群并不是二維材料點群的子群，使得二維晶體在襯底表面上具有不同的最優(yōu)生長取向，在二維晶體的生長融合過程中產(chǎn)生多晶。實驗上，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了具有不同結(jié)構(gòu)的二維多晶的形成，但是，二維多晶的形成機(jī)制并不明確。
圖1.a具有最多 (12) 個凸頂點的穩(wěn)態(tài)多晶的構(gòu)造示意圖，該凸頂點由具有四個不同取向的三角形晶粒在 fcc(100) 表面上的聚結(jié)形成。b , c分別基于12個凸頂點多晶的11和4凸頂點穩(wěn)態(tài)多晶結(jié)構(gòu)示意圖。選擇消失的凸頂點由虛線輪廓表示。d PFT 模擬顯示了通過四個具有不同取向的單晶島的聚結(jié)形成多晶的示例。
來自韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究院多維碳材料中心的丁峰教授，中國科學(xué)院化學(xué)研究所的董際臣研究員及劉云圻院士，基于二維材料在襯底表面的晶體取向及相場模擬，提出了一種普適的預(yù)測并構(gòu)建二維多晶的策略。研究發(fā)現(xiàn)，二維多晶的結(jié)構(gòu)取決于二維材料及襯底的對稱性，二維多晶的形成過程取決于組成該多晶的晶疇形核的相對位置。當(dāng)三重對稱的二維材料（如六方氮化硼、過渡金屬硫族化物等）在二重或六重對稱的襯底表面生長時，二維材料將有兩個最優(yōu)的晶體取向，任意多個不同取向的晶體融合將會產(chǎn)生4種不同類型的多晶；三重對稱的二維材料在四重對稱的襯底表面生長時，二維材料將有四個最優(yōu)的晶體取向，可形成227種多晶結(jié)構(gòu)；四重對稱的二維材料（如硒化鐵等）在三重或六重對稱的襯底表面生長時，二維材料將有三個最優(yōu)的晶體取向，可形成131種多晶結(jié)構(gòu)；六重對稱的二維材料（如石墨烯）在四重對稱的襯底表面生長時，二維材料將有兩個最優(yōu)的晶體取向，可形成30種多晶結(jié)構(gòu)。以上理論預(yù)測結(jié)果與已有實驗吻合。
圖2. a , b PFT 模擬顯示了兩個方形晶粒的兩個聚結(jié)過程，分別具有 30度的逆時針取向角。第五個面板被縮小以獲得更好的視圖。c逆時針方向錯位角為 30 度的兩個方形二維晶粒聚結(jié)的形貌圖。在左側(cè)面板中，第一個顆粒由藍(lán)色方塊表示。第二個晶粒（紅色小方塊）在淺灰色區(qū)域 1 或深灰色區(qū)域 1 中成核。右側(cè)面板中的形狀 1 或 2 將在這兩個晶粒合并后最終形成，第二個晶粒在區(qū)域 1 或區(qū)域 2，分別。, e _PFT 模擬顯示了兩個方形晶粒的兩個聚結(jié)過程，分別具有 60度的逆時針取向誤差。
該研究系統(tǒng)揭示了二維多晶的機(jī)構(gòu)及形成機(jī)制，有助于實驗通過選取適當(dāng)襯底以可控制備二維材料。該文近期發(fā)表于npj Computational Materials 8: 109 (2022)。
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https://www.nature.com/articles/s41524-022-00797-5
