Nature 子刊：利用位錯合成嵌入二維材料中的一維納米線

【引言】

二維（2D）材料由于其原子級的薄度而成為下一代電子學最有前途的候選材料之一，允許靈活的透明電子元件和極限長度縮放。到目前為止，已經證實了原子級薄的p-n結，金屬 - 半導體接觸和金屬 - 絕緣體屏障。雖然二維材料實現了最薄的設備，但橫向尺寸的精確納米級控制也是必要的。

減小原子級2D器件的橫向尺度不僅對于實現電子器件應用至關重要，而且對于達到量子限制所需的長度尺度也是至關重要的。迄今為止，許多設備依靠一個2D層，接著的另一個在所述圖案化的表面生長的2D異質光刻構圖，雖然這種技術提供空間控制可以達到一百納米左右，光刻方法依然存在原子缺陷和污染。因此，這些異質結構中的原子結包含電子缺陷態，影響器件性能。最近，報道了用化學氣相沉積（CVD）方法在2D材料之間微米尺寸的初始外延界面的生長。理論預言可調諧載流子禁閉，并且在2D材料的異質結構的突變和相干界面處形成一維電子氣，其僅僅是幾個原子寬。

本文作者巧妙利用位錯成功在二維材料上生長出了亞納米尺度的一維納米線。

【成果簡介】

近日，阿卜杜拉國王科技大學的Lain-Jong Li和康奈爾大學David A. Muller（共同通訊）在Nature Materials上發表了題為“Sub-nanometre channels embedded in?two-dimensional materials”的研究論文，文中報道了一種使用位錯催化直接合成嵌入WSe₂單層的亞納米寬一維（1D）二硫化鉬通道的方法。合成的一維通道沒有失配位錯和懸掛鍵，與嵌入的二維矩陣形成一個連貫的界面。周期性位錯陣列在WSe2中產生相干MoS₂ 1D通道的二維超晶格。并使用分子動力學模擬，確定了2D材料的其他組合也可以形成一維通道。

【圖文導讀】

圖1：一維通道的形成

a，由MoS₂-WSe₂橫向異質結處的失配位錯（標記為“T”）引導的構圖工藝的示意圖；
b，c，原子分辨率ADF-STEM圖像重疊與他們的ε_xx應變圖（參照圖2詳細介紹）確定所述周期性的位錯在MoS₂和WSE₂（b）和一維信道的通過化學驅動的遷移創建的接口 （c），應變圖是指WSe₂晶格。

圖2：一維通道的應變圖

a，b，嵌入在WSe₂中的MoS₂ 1D通道的ADF-STEM圖像。 通道以5|7錯位（b中的白色框）結束。 相同的部分顯示在右側，帶有標記的原子；

c，d，單軸應變分量“ ε_xx”（c）和“ε_yy”（d）中一維MoS₂的幾何相分析（GPA）。 所有的應變都是參考WSe₂晶格。 ε_xx主要是由于晶格失配而明確區分兩個晶格，而ε_yy表示晶格相對于WSe₂失配的1S MoS₂中的高單軸拉伸應變。

e，f，剪應變和旋轉圖（弧度）分別表示位錯的位置和方向。

g，ADF-STEM圖像（左）及其由WSe₂中的固有5 | 7位錯形成的MoS₂ 1D通道的ε_xx應變圖（右），其與來自異質結界面的通道中發現的結果相匹配。

圖3：一維通道形成的分子動力學（MD）模擬

a，b，MD對5|7位錯（a）的五邊形環插入過程和形成下一個5|7位錯（b）過程的MD模擬；

c，圖案化過程的每個步驟的MD模擬。 5|7錯位可以向右（藍色箭頭）移動30°，或向左移動30°（紅色箭頭）。

d，加入過量的Mo和S原子迭代形成WSe₂中的一維MoS₂通道，揭示了形成一維通道的化學驅動機制。

圖4：在晶界處生成超晶格

a，頂部（底部）面板描繪圖案化過程之前（之后）的晶界的超晶格形成示意圖；

b，由WSe₂晶界的周期性位錯和9次旋轉（位錯間距2nm）生長的超晶格的ADF-STEM圖像。 所有的藍色虛線表示原始彎曲晶界的位置。 位錯向不同方向遷移（由綠色箭頭表示），從而形成移動的直線晶界；

c，放大的ADF-STEM圖像，其中一個相同的位錯由“T”標記。 d-g，圖中c的GPA，說明位錯在遷移過程中保持其周期性和取向。

【小結】

作者提出了一種無錯位一維通道合成的策略，且為其他二維材料提供了一套通用的搜索標準：首先，候選材料需要位錯源，如低角度晶界或晶格失配的異質界面。其次，雖然位錯允許更容易地插入和交換原子，但替代物需要在能量上是有利的。
晶格失配和位移準則允許我們預測一維通道形成的候選系統，并且還提供了通過改變2D主體來設計一維通道中的應變的方法。

文獻鏈接：Sub-nanometre channels embedded in two-dimensional materials. （Nat. Mater., 2017, DOI: 10.1038/NMAT5038）

本文由材料人編輯部納米學術組Jing供稿，材料牛編輯整理，?點我加入材料人編輯部。

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