近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室國際功能材料量子設(shè)計中心博士崔萍與校內(nèi)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(gòu)的普適性原子尺度機(jī)理；進(jìn)一步，基于所發(fā)現(xiàn)的邊緣重構(gòu)模式的可調(diào)性，與實(shí)驗(yàn)結(jié)合首次實(shí)現(xiàn)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(jī)理。相關(guān)成果先后發(fā)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(diào)的本征帶隙、高載流子遷移率、與光場很強(qiáng)的相互作用、內(nèi)稟較強(qiáng)的自旋軌道耦合作用以及谷自由度等特性，在電學(xué)、光學(xué)、自旋電子學(xué)等器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)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(jié)構(gòu)性質(zhì)對器件的整體穩(wěn)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(nèi)外合作者利用第一性原理計算，系統(tǒng)地研究了MX₂(M=鉬，鎢；X=硫，硒)鋸齒型納米條帶邊緣的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和磁性。結(jié)構(gòu)上，該研究首次揭示M邊存在一種新穎且普適的(2×1)重構(gòu)模式，即通過邊緣M和X原子位置的互換實(shí)現(xiàn)對邊緣金屬原子的自我鈍化，導(dǎo)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(gòu)邊緣具有魯棒的邊緣金屬態(tài)和獨(dú)特的自旋序。該研究不僅為早期實(shí)驗(yàn)上觀察到的邊緣金屬態(tài)的起源提供了可能的新解釋，也為后續(xù)實(shí)驗(yàn)上生長條帶結(jié)構(gòu)提供了不可或缺的理論基礎(chǔ)，在納米電子學(xué)、自旋電子學(xué)、光學(xué)和催化等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。該工作發(fā)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(zhàn)是將體系的維度進(jìn)一步可控地降低，如制備出尺寸可控的量子點(diǎn)、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(yīng)的物性探討與器件應(yīng)用。近日，崔萍等人與美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校教授施至剛和浙江大學(xué)教授金傳洪的實(shí)驗(yàn)研究組合作，基于前期對TMD邊緣重構(gòu)的理論工作，在國際上首次以自下而上(bottom-up)的方法實(shí)現(xiàn)了MoSe₂納米條帶的可控制備（如圖2所示）。首先，理論上預(yù)言隨著生長溫度的升高，所生長的島會從分維型結(jié)構(gòu)(fractal)到密集型結(jié)構(gòu)(compact)轉(zhuǎn)變，并為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。但意外的是，當(dāng)生長溫度繼續(xù)升高時，實(shí)驗(yàn)上觀察到密集型結(jié)構(gòu)會進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)一維的條帶結(jié)構(gòu)，其長度和寬度可隨生長條件而改變。基于這一奇特現(xiàn)象，理論上進(jìn)一步推測：MoSe₂鋸齒型邊緣會發(fā)生自鈍化重構(gòu)，而不同MoSe₂邊緣的能量和穩(wěn)定性可決定其生長速率，也進(jìn)而可決定MoSe₂的生長模式，因此通過調(diào)節(jié)溫度和Se:Mo比例應(yīng)可改變襯底上Se的濃度及邊緣重構(gòu)模式，從而實(shí)現(xiàn)納米條帶的可控制備。這一推測為后續(xù)的對比實(shí)驗(yàn)與第一性原理計算所驗(yàn)證。由于TMD材料鋸齒型金屬邊的自鈍化重構(gòu)模式具有普適性，這種通過邊緣重構(gòu)控制體系形貌的生長機(jī)理也將適用于其它TMD體系。這一工作發(fā)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(gòu)示意圖。中間插圖以Mo邊為例展示了普適的(2×1)重構(gòu)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(jié)構(gòu)與能量：上圖中重構(gòu)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。