近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室博士后陳偉 ，與美國田納西大學、中國科學院物理研究所、北京大學等研究機構的同行合作，揭示了弱的范德瓦爾斯力與強的界面化學鍵在決定生長過程中二維材料相對于襯底晶格的取向時所起的關鍵協(xié)同作用。相關研究成果于11月10日在線發(fā)表在《美國科學院院刊》上，陳偉為論文共同第一作者。
二維材料具有很多優(yōu)越的物理與化學性質(zhì)。隨著Geim和Novoselov于2004年成功地機械剝離出單層石墨烯，越來越多的凝聚態(tài)物理與材料科學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合材料，因發(fā)現(xiàn)石墨烯而獲得2010年諾貝爾物理獎的Geim及其合作者近期提出了范德瓦爾斯異質(zhì)結的概念，即通過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，從而獲得新的體系與物性。
此前的工作大部分基于機械轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)堆積，層與層之間的相對角度取向存在著不可避免的不確定性，嚴重影響了范德瓦爾斯異質(zhì)結的性質(zhì)。近幾年來，二維材料在金屬上的外延生長成為一種更有效地控制范德瓦爾斯異質(zhì)結的層間排布的方法。陳偉博士與實驗合作者發(fā)現(xiàn)，盡管單層氮化硼與石墨烯有非常相似的晶格結構與結構參數(shù)，但當它們外延生長在銅襯底的100表面時，有非常不同的取向：氮化硼嚴格地對準襯底的高對稱方向，而石墨烯卻展示很多不同的低對稱性的排布可能。通過基于第一性原理的理論計算，該團隊發(fā)現(xiàn)石墨烯與銅的相互作用遠強于氮化硼，導致襯底上相近的銅原子的位置發(fā)生了顯著的畸變，進而使得石墨烯在生長過程中無法有效地校準銅襯底本征的高對稱方向。
作為更強的界面相互作用反而導致更差的空間相對取向的一個違反直覺的例子，該研究不僅豐富了二維材料非平衡生長的基本概念，也有助于推進范德瓦爾斯異質(zhì)結及其復合材料在未來器件中的應用。
上述研究得到了國家自然科學基金委、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。
來源：中國科學院
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