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光學工程
中國科大在二維材料研究中取得系列進展

近日,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室國際功能材料量子設計中心博士崔萍與校內外同行合作,揭示了過渡金屬二硫族化合物鋸齒型納米條帶邊緣重構的普適性原子尺度機理;進一步,基于所發現的邊緣重構模式的可調性,與實驗結合首次實現了二硒化鉬納米條帶自下而上的可控生長,并揭示了其微觀機理。相關成果先后發表在《納米快報》[Nano Lett. 17, 1097 (2017)]和《自然-通訊》[Nature Commun. 8, 15135 (2017)]上。

過渡金屬二硫族化合物(TMD)作為二維材料家族的一大重要分支,因其具有可調的本征帶隙、高載流子遷移率、與光場很強的相互作用、內稟較強的自旋軌道耦合作用以及谷自由度等特性,在電學、光學、自旋電子學等器件領域具有巨大的應用前景。而具體將二維材料集成為器件時,不可避免地會面對體系的各種邊界,其結構性質對器件的整體穩定性和性能都具有極其重要的影響。針對這一基本問題,崔萍與李震宇等校內外合作者利用第一性原理計算,系統地研究了MX2(M=鉬,鎢;X=硫,硒)鋸齒型納米條帶邊緣的結構、電子性質和磁性。結構上,該研究首次揭示M邊存在一種新穎且普適的(2×1)重構模式,即通過邊緣M和X原子位置的互換實現對邊緣金屬原子的自我鈍化,導致體系能量的顯著降低(如圖1所示)。物性上,以MoX2鋸齒型納米條帶為例,展示了重構邊緣具有魯棒的邊緣金屬態和獨特的自旋序。該研究不僅為早期實驗上觀察到的邊緣金屬態的起源提供了可能的新解釋,也為后續實驗上生長條帶結構提供了不可或缺的理論基礎,在納米電子學、自旋電子學、光學和催化等領域具有重要的應用價值。該工作發表于Nano Lett. 17, 1097 (2017)。

二維材料集成為器件所面臨的另一大挑戰是將體系的維度進一步可控地降低,如制備出尺寸可控的量子點、量子線、納米條帶等。伴隨著二維材料維度的降低,會衍生出豐富而奇特的物性。然而,前期的TMD納米條帶研究僅限于通過利用透射電子顯微鏡(TEM)的電子束照射自上而下(top-down)制備,其邊緣不可避免地存在許多缺陷,大大制約了相應的物性探討與器件應用。近日,崔萍等人與美國德克薩斯大學奧斯汀分校教授施至剛和浙江大學教授金傳洪的實驗研究組合作,基于前期對TMD邊緣重構的理論工作,在國際上首次以自下而上(bottom-up)的方法實現了MoSe2納米條帶的可控制備(如圖2所示)。首先,理論上預言隨著生長溫度的升高,所生長的島會從分維型結構(fractal)到密集型結構(compact)轉變,并為實驗所驗證。但意外的是,當生長溫度繼續升高時,實驗上觀察到密集型結構會進一步轉變為準一維的條帶結構,其長度和寬度可隨生長條件而改變。基于這一奇特現象,理論上進一步推測:MoSe2鋸齒型邊緣會發生自鈍化重構,而不同MoSe2邊緣的能量和穩定性可決定其生長速率,也進而可決定MoSe2的生長模式,因此通過調節溫度和Se:Mo比例應可改變襯底上Se的濃度及邊緣重構模式,從而實現納米條帶的可控制備。這一推測為后續的對比實驗與第一性原理計算所驗證。由于TMD材料鋸齒型金屬邊的自鈍化重構模式具有普適性,這種通過邊緣重構控制體系形貌的生長機理也將適用于其它TMD體系。這一工作發表于Nature Commun. 8, 15135 (2017)。

上述研究得到了國家自然基金委、科技部、中科院和教育部的資助。

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圖1. (a) MoX2和(b) WX2鋸齒型納米條帶邊緣重構示意圖。中間插圖以Mo邊為例展示了普適的(2×1)重構的自鈍化過程。

圖2. (a)不同生長溫度下MoSe2形貌的原子力顯微鏡(AFM)圖像;(b)第一性原理計算比較不同MoSe2納米條帶的結構與能量:上圖中重構的鋸齒型邊緣能量明顯低于扶手椅型邊緣能量;下圖中兩者能量相近。


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