崔屹最新Science：扭曲外延機制探索

外延是材料科學中的一個重要現象，指在單晶襯底（基片）上生長一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層，原有的晶片稱為襯底，生長的薄層稱為外延層，整個晶體材料稱為外延片。它描述了一種晶體材料以有序方式在具有精確晶體學襯底上生長的情況。外延已被用于許多材料的合成和制造，包括平面半導體異質結構、線性和核殼納米晶體和納米線，應用包括晶體管、發光二極管、激光器和量子器件。近年來二維范德華(vdW)材料的發展已經將外延的范圍擴展到vdW外延、遠程外延和受限外延。到目前為止，研究主要是基于將一個晶體外延生長到一個襯底上或襯底內的框架。

今日，美國斯坦福大學崔屹（Yi Cui）、Harold Y. Hwang和Robert Sinclair研究團隊在Science上發文，探索了兩個扭曲襯底之間的外延機制，將外延的概念擴展到“扭曲外延”的狀態，證明了兩個襯底之間的外延層晶體取向受到其相對取向的影響。作者在兩個剝離的六方二硫化鉬(MoS₂)襯底之間進行了納米厚度金(Au)納米顆粒的退火，通過在一個MoS₂襯底上生長金（Au）納米顆粒層，然后用第二層MoS₂薄膜覆蓋Au納米顆粒。Au和硫（S）原子之間的化學相互作用比傳統的vdW相互作用強得多，但比共價鍵弱。這種結構不僅可以穩定2D Au，還可以調整其方向。先前對單晶MoS₂的研究表明，面心立方（fcc）緊密排列的Au平面（{111}）與六方MoS₂平面（{001}）之間存在外延關系。兩個MoS₂層都可以對Au施加取向效應，其基面取向不同，相互扭轉角在0°~60°。透射電鏡研究表明，當雙分子層的扭轉角較小（<~7°）時，Au位于頂部和底部MoS₂之間。對于較大的扭轉角，Au只有取向偏差很小，底部MoS₂與雙層MoS₂的扭轉角近似呈正弦變化。此外，采用四維掃描透射電子顯微鏡分析進一步揭示了與扭曲外延相關的金納米盤的周期性應變變化（<|±0.5%|），與兩個MoS2扭曲層的Moiré一致。

圖1扭曲外延金納米片

圖2金納米片的合成、排列和厚度

圖3金納米片與二硫化鉬旋轉角的關系

圖4 DFT計算

圖5 4D-STEM應變分析

相關研究成果以“Twisted epitaxy of gold nanodisks grown between twisted substrate layers of molybdenum disulfide”為題發表在國際著名期刊Science上。

該項研究的核心創新點在于探索了兩個扭曲襯底之間的外延機制，即“扭曲外延”。兩個襯底都與生長的晶體外延層相互作用并影響其晶體學，這種方法允許將兩個襯底的相對取向用作結構控制參數。

Au和MoS₂的扭曲外延結構的發現為利用先進的電子顯微鏡研究二維材料的結構功能提供了可能性。透射電鏡Moiré條紋圖像是參與晶體原子匹配和不匹配的代表。這種周期性與兩種材料的原子匹配直接相關，原子匹配的變化(如本文所示)可能會影響復合材料的物理性質，如Au和MoS₂的能帶結構、電子和光學性質等。此外，扭曲外延意味著可以使用堆疊雙層二維材料的范德華間距作為納米納米反應器來限制材料的生長并調節晶體形態、取向和晶格應變，這表明雙層取向可以作為一個額外的參數來控制被封裝原子結構和性能。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5947