可控制備高質(zhì)量二維材料對(duì)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(shí)，二維材料晶體的高對(duì)稱方向傾向于沿著襯底的高對(duì)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(duì)稱性，當(dāng)襯底對(duì)稱點(diǎn)群是二維材料點(diǎn)群的子群時(shí)，二維晶體在襯底表面將會(huì)具有同一取向；而襯底點(diǎn)群不是二維材料點(diǎn)群的子群時(shí)，二維晶體在襯底表面會(huì)有等價(jià)但不同的晶體取向。由此，我們提出在低對(duì)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(duì)稱性的低指數(shù)晶面，低對(duì)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(shí)驗(yàn)中往往會(huì)得到高對(duì)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(huì)得到具有近六重對(duì)稱的(111)晶面、四重對(duì)稱的(100)晶面及二重對(duì)稱的(110)晶面。在大部分情況下，襯底的對(duì)稱點(diǎn)群并不是二維材料點(diǎn)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(zhǎng)取向，在二維晶體的生長(zhǎng)融合過程中產(chǎn)生多晶。實(shí)驗(yàn)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(gè)凸頂點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)多晶的構(gòu)造示意圖，該凸頂點(diǎn)由具有四個(gè)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(gè)凸頂點(diǎn)多晶的11和4凸頂點(diǎn)穩(wěn)態(tài)多晶結(jié)構(gòu)示意圖。選擇消失的凸頂點(diǎn)由虛線輪廓表示。d PFT 模擬顯示了通過四個(gè)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(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院多維碳材料中心的丁峰教授，中國(guó)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(chǎng)模擬，提出了一種普適的預(yù)測(cè)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(duì)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(duì)位置。當(dāng)三重對(duì)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(duì)稱的襯底表面生長(zhǎng)時(shí)，二維材料將有兩個(gè)最優(yōu)的晶體取向，任意多個(gè)不同取向的晶體融合將會(huì)產(chǎn)生4種不同類型的多晶；三重對(duì)稱的二維材料在四重對(duì)稱的襯底表面生長(zhǎng)時(shí)，二維材料將有四個(gè)最優(yōu)的晶體取向，可形成227種多晶結(jié)構(gòu)；四重對(duì)稱的二維材料（如硒化鐵等）在三重或六重對(duì)稱的襯底表面生長(zhǎng)時(shí)，二維材料將有三個(gè)最優(yōu)的晶體取向，可形成131種多晶結(jié)構(gòu)；六重對(duì)稱的二維材料（如石墨烯）在四重對(duì)稱的襯底表面生長(zhǎng)時(shí)，二維材料將有兩個(gè)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(cè)結(jié)果與已有實(shí)驗(yàn)吻合。
圖2. a , b PFT 模擬顯示了兩個(gè)方形晶粒的兩個(gè)聚結(jié)過程，分別具有 30度的逆時(shí)針取向角。第五個(gè)面板被縮小以獲得更好的視圖。c逆時(shí)針方向錯(cuò)位角為 30 度的兩個(gè)方形二維晶粒聚結(jié)的形貌圖。在左側(cè)面板中，第一個(gè)顆粒由藍(lán)色方塊表示。第二個(gè)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(gè)晶粒合并后最終形成，第二個(gè)晶粒在區(qū)域 1 或區(qū)域 2，分別。, e _PFT 模擬顯示了兩個(gè)方形晶粒的兩個(gè)聚結(jié)過程，分別具有 60度的逆時(shí)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(shí)驗(yàn)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
