近日，國家納米科學(xué)中心裘曉輝課題組在金屬表面六方氮化硼（h-BN）的單原子元素分辨和晶核生長機理方面取得新進展。相關(guān)研究成果以Unidirectional alignment and orientation pinning mechanism of h-BN nucleation on Ir(111) via reactive probe atomic force microscopy為題，發(fā)表在《通訊材料》（Communications Materials 2023, 4: 107）。 晶圓級單晶二維材料的生長需要嚴(yán)格控制晶核的取向，尤其是成核初始階段。作為二元二維材料的代表，h-BN在成核階段易自發(fā)形成具有相反取向的晶核（分別為NtopBfcc和NtopBhcp構(gòu)型）。前期研究發(fā)現(xiàn)，程序升溫生長方法能夠可控合成同一取向的h-BN晶核，然而初始晶核的形成和生長機理仍然不明確。因此，在原子尺度上闡明h-BN初始晶核形成和生長的機理至關(guān)重要。 在本工作中，研究團隊結(jié)合掃描隧道顯微鏡（STM）和非接觸原子力顯微鏡（nc-AFM），在原子尺度上研究了Ir(111)表面程序升溫生長方法制備的 h-BN 晶核。研究表明，即使最小的h-BN晶核仍表現(xiàn)為鋸齒形終止邊的三角形，具有非1:1的硼氮比。通過AFM力譜能夠精確地分辨B和N原子，從而確認(rèn)h-BN晶核邊緣為N原子終止，其元素分辨能力來源于AFM針尖尖端原子的化學(xué)活性。盡管密度泛函理論計算表明，較大的h-BN團簇的熱力學(xué)優(yōu)勢吸附構(gòu)型為NtopBfcc，但實驗中觀察到晶核的取向均為NtopBhcp構(gòu)型，而且與團簇尺寸無關(guān)。這種表面上看似矛盾的結(jié)果可通過定向釘扎行為來解釋，即在形成熱力學(xué)穩(wěn)定的初始晶核（NtopBhcp）后，極大的旋轉(zhuǎn)勢壘抑制了h-BN疇區(qū)的旋轉(zhuǎn)，從而在晶核長大的過程中保持晶疇的單一取向。該工作表明，優(yōu)化晶核形成初期的取向釘扎行為可以在高對稱性金屬表面上實現(xiàn)二元和三元材料的單向成核，為合成晶圓級二維單晶材料提供了實驗基礎(chǔ)。
圖 Ir(111)表面生長六方氮化硼晶核的取向釘扎效應(yīng)
國家納米科學(xué)中心裘曉輝研究員、劉夢溪副研究員(第12批會員)和電子科技大學(xué)張妍寧教授為本文通訊作者，潘金亮、吳銅偉、馬超為本文共同第一作者。該研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃、中國科學(xué)院科研儀器設(shè)備研制等項目的支持。
原文鏈接: https://www.nature.com/articles/s43246-023-00435-7
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