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科研成果
劉開輝課題組在轉角雙層石墨烯精准原子制造研究中取得進展
發布日期:2022-09-16 浏覽次數:
  供稿:凝聚態物理與材料物理研究所  |   编辑:曲音璇   |   审核:吴孝松

北京大学物理学院凝聚態物理與材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室刘开辉教授课题组与合作者提出“预堆叠衬底-角度复制单晶生长”的新生长策略,在宏观控制衬底旋转角度的条件下,利用二维晶体严格的外延角度复刻生长行为,以及金属衬底预熔平面自铺展效应,成功操控了双层石墨烯堆叠转角生长。该策略在二维晶体制备领域提供了宏观尺度下精准操控双层堆垛结构的新路径,有望为大批量制备可控转角多层二维材料领域提供一种全新的低成本方案。2022年9月15日,相关研究成果以“大面积任意转角双层石墨烯的设计生长”(Designed growth of large bilayer graphene with arbitrary twist angles)为题,在线发表于《自然·材料》(Nature Materials)。

近年來,二維材料由于其極限的原子層結構及優異的電學、光學、力學等物理特性,逐漸發展成爲凝聚態物理及材料科學等基礎學科的熱點研究方向,並有望在微電子器件、光子芯片、信息存儲等諸多領域産生系列變革性技術應用。同時,二維材料的表面原子排布特性及其較強的層間耦合相互作用特性,爲二維材料物態調控提供了全新自由度。通過調控二維材料的層間相對轉角,可有效改變電子能帶結構並産生各類新穎物理現象,如非常規超導性、自旋極化相關態、絕緣體態、摩爾激子、磁序相變等。爲充分探索轉角結構帶來的新奇物性並推動轉角電子學相關應用,迫切需要發展轉角可控的強層間耦合轉角雙層二維材料。

以石墨烯爲例,利用機械剝離、逐層轉移等方式可以將兩個單層石墨烯堆疊構成雙層轉角結構,但此類方法存在轉移條件苛刻、産出效率低、界面汙染等問題。而直接生長法雖能獲得相對潔淨的界面,但雙層石墨烯往往傾向于形成0°或30°層間轉角的熱力學穩定堆垛結構。近年來,通過控制在襯底的缺陷、台階、結構化表面等高能位點形核的方式,可實現其他角度轉角雙層石墨烯的隨機生長,然而,其層間相對轉角仍不可控。因此,轉角可控的雙層石墨烯制備是二維材料生長領域中亟待解決的重要難題。

自2016年以来,北京大学物理学院刘开辉教授、王恩哥院士、俞大鹏院士等针对二维材料生长相关问题开展了系统研究,逐步发展出一套二维单晶的原子制造通用技术,实现了以石墨烯(Science Bulletin 2017, 62, 1074)、六方氮化硼(Nature 2019, 570, 91)、过渡金属硫族化合物(Nature Nanotechnology 2022, 17, 33)为代表的大尺寸二维单晶调控生长及30余种A4尺寸高指数单晶铜箔库的制备(Nature2020, 581, 406)。近年来,二维材料生长机理的研究表明,单晶生长取向主要受衬底表面晶格、台阶等结构的调制。因此,通过宏观预堆叠双层衬底设计转角并外延生长单层单晶,从而实现层间转角复制,有望获得具有可控角度、强层间耦合、洁净界面的大面积双层二维材料。

基于上述積累,劉開輝團隊與合作者提出了一種“預堆疊襯底-角度複制單晶生長”的新策略,實現了具有可控轉角和潔淨界面的厘米級雙層石墨烯制備。研究團隊(1)在宏觀上預堆疊退火後的單晶Cu(111)襯底以鎖定角度,使襯底之間的旋轉角度爲預期生長的雙層石墨烯的目標轉角;(2)隨後利用Cu(111)表面對稱性匹配與小晶格失配的特性,確保在預堆疊的Cu(111)襯底上外延生長單晶石墨烯,並嚴格複刻襯底間的旋轉角度。而後精准控溫並利用銅箔平面自鋪展效應,獲得具有特定轉角和均勻平整範德華界面的雙層大面積石墨烯;(3)最終爲了剝離雙層石墨烯,利用等電位面刻蝕方法在刻蝕液中施加平行電場,將一側銅箔勻速刻蝕並使銅離子沿電場方向遷移,可有效避免非均勻刻蝕。通過三電極電化學法監測銅表面的刻蝕過程,從而精准控制刻蝕時間,獲得完整的大面積雙層石墨烯成品。

利用上述原創性生長策略,實現了大面積雙層石墨烯轉角的精准控制,爲二維晶體材料提供了一種宏觀尺度下對原子堆疊結構精准操控的新穎方法。形貌和結構表征技術(包括電子顯微鏡、角分辨光電子能譜、光譜及光電流測試等)驗證了所設計轉角在跨越原子尺度至厘米尺度的准確與均勻性。本方法理論上可擴展到其他二維晶體材料的轉角制備,有望爲大規模轉角雙層二維材料制備提供一種低成本、易操作的可行技術方案。

图 a转角双层石墨烯生长设计示意图;b-e制备的14°转角双层石墨烯结果;f-i转角双层石墨烯的普适制备

北京大学博士後创新人才支持计划入选者刘灿(现为中国人民大学研究员)、北京大学“博雅”博士後李泽晖(现为北京大学特聘副研究员)、北京大学“博雅”博士後乔瑞喜(现为南京航空航天大学特聘副研究员)、物理学院2021级博士生王卿赫为论文共同第一作者;北京大学刘开辉教授、上海科技大学王竹君教授和中国人民大学刘灿研究员为共同通讯作者。其他主要合作者还包括北京大学王恩哥院士、王新强教授、高鹏教授,南方科技大学俞大鹏院士,中国科学院半导体研究所谭平恒研究员、武汉大学何军教授、上海科技大学柳仲楷教授等。

研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大項目、中国科学院战略性先导科技专项、北京大学电子显微镜实验室以及上海同步辐射光源BL07U NanoARPES线站等支持。


論文原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41563-022-01361-8