吳 凱

?

強(qiáng)界面相互作用-BN/Re(0001)體系上不可修復(fù)的疇區(qū)拼接缺陷及其電子態(tài)

吳 凱

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871)

六方氮化硼(-BN)是以硼原子(B)與氮原子(N)交替連接形成的蜂窩狀二維原子晶體，作為二維材料家族中唯一的寬帶隙絕緣體(~5.8 eV)，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、良好的透光性、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)以及原子級平整的表面，這使其在光發(fā)射器件、透明電子學(xué)器件、防氧化涂層等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景1–4。-BN與石墨烯(G)具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，卻具有完全不同的電子結(jié)構(gòu)，前者是寬帶隙的絕緣體，后者是零帶隙的半金屬。由-BN與G這兩種典型的二維單原子層材料所構(gòu)筑的層間5以及層內(nèi)6異質(zhì)結(jié)構(gòu)，不僅在探索凝聚態(tài)物理學(xué)基本問題上(例如Hofstadter butterfly effect)發(fā)揮了極大的作用，而且在構(gòu)筑高遷移率石墨烯器件方面展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。

基于此，發(fā)展高品質(zhì)-BN的制備方法，深入研究其基本物理性質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)-BN諸多潛在應(yīng)用的前提基礎(chǔ)。其中，對于-BN在單晶金屬基底上的成核、生長行為的研究以及對其缺陷結(jié)構(gòu)的精確表征和分析，將為高品質(zhì)-BN的制備提供更為明確的指導(dǎo)。

北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心劉忠范、張艷鋒課題組，利用界面相互作用強(qiáng)弱不同的金屬單晶(Cu7、Ir8、Rh9)作為基底，對G和-BN的生長行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。利用超高真空掃描隧道顯微鏡/隧道譜(STM/STS)技術(shù)，在原子尺度上揭示了G和-BN在性質(zhì)各異的金屬基底上的成核、生長以及疇區(qū)拼接行為，以及局域電子結(jié)構(gòu)的演化。這對于-BN及其它二維材料制備過程中涉及的基底選擇的問題具有非常重要的指導(dǎo)意義。除此之外，由于材料生長過程中不可避免地會伴隨著缺陷的產(chǎn)生，這些缺陷結(jié)構(gòu)會對材料的物理、化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著的調(diào)控作用。對于缺陷結(jié)構(gòu)的充分認(rèn)識和表征，對高品質(zhì)材料的制備至關(guān)重要。

基于此，該課題組首次在強(qiáng)相互作用的金屬基底Re(0001)上，利用超高真空-化學(xué)氣相沉積(UHV-CVD)方法成功地制備出了單層-BN薄膜。借助高分辨STM技術(shù)，在原子尺度上研究了-BN的成核、生長及疇區(qū)邊界的拼接行為。第一次系統(tǒng)地研究了單層-BN的三種界面拼接形式：B-終止邊與N-終止邊的拼接(B|N)，B-終止邊與B-終止邊的拼接(B|B)，以及N-終止邊與N-終止邊的拼接(N|N)，深入研究了這三種拼接類型所帶來的缺陷結(jié)構(gòu)，以及其對-BN電子態(tài)的調(diào)制作用。

研究發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)終止邊的拼接只存在B|N拼接這一種類型。這一拼接形式不會在-BN中引入明顯的線狀缺陷結(jié)構(gòu)，但會產(chǎn)生由5–7缺陷對誘導(dǎo)的“心形”摩爾結(jié)構(gòu)。同時，這一缺陷結(jié)構(gòu)會對-BN的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的調(diào)制作用，帶來~1.0 eV的帶隙減小。然而，同質(zhì)終止邊的拼接存在兩種不同的類型：B|B拼接及N|N拼接。B|B拼接會在-BN中引入原子尺度不連續(xù)的界面，會帶來~0.4 eV帶隙的減小。相反，N|N拼接會在-BN中引入原子尺度連續(xù)的拼接界面，N―N鍵的形成會引入新的電子態(tài)，帶來~0.4 eV帶隙的減小，這種電子態(tài)的變化也會導(dǎo)致拼接界面處STM襯度的變化。

本工作對強(qiáng)相互作用基底(例如Re(0001))上-BN的成核、生長、疇區(qū)拼接及缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，闡述了界面耦合對于-BN的生長以及性質(zhì)的調(diào)控作用，對于高品質(zhì)二維材料的可控制備和實(shí)際應(yīng)用具有非常重要的指導(dǎo)意義。該研究成果最近在雜志上10發(fā)表。

(1) Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Kanda, H.2004,, 404.doi: 10.1038/nmat1134

(2) Liu, Z.; Gong, Y.; Zhou, W.; Ma, L.; Yu, J.; Idrobo, J. C.; Jung, J.; MacDonald, A. H.; Vajtai, R.; Lou, J.; Ajayan, P. M.2013,.2541.doi: 10.1038/ncomms3541

(3) Decker, R.; Wang, Y.; Brar, V. W.; Regan, W.; Tsai, H.-Z.; Wu, Q.; Gannett, W.; Zettl, A.; Crommie, M. F.2011,, 2291.doi: 10.1021/nl2005115

(4) Xue, J.; Sanchez-Yamagishi, J.; Bulmash, D.; Jacquod, P.; Deshpande, A.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Jarillo-Herrero, P.; LeRoy, B. J.2011,, 282.doi: 10.1038/NMAT2968

(5) Yang, W.; Chen, G.; Shi, Z.; Liu, C.-C.; Zhang, L.; Xie, G.; Cheng, M.; Wang, D.; Yang, R.; Shi, D.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Yao, Y.; Zhang, Y.; Zhang, G.2013,, 792.doi: 10.1038/NMAT3695

(6) Ci, L.; Song, L.; Jin, C.; Jariwala, D.; Wu, D.; Li, Y.; Srivastava, A.; Wang, Z. F.; Storr, K.; Balicas, L.; Liu, F.; Ajayan, P. M.2010,, 430.doi: 10.1038/nmat2711

(7) Li, Q.; Zou, X.; Liu, M.; Sun, J.; Gao, Y.; Qi, Y.; Zhou, X.; Yakobson, B. I.; Zhang, Y.; Liu, Z.2015,, 5804.doi: 10.1021/acs.nanolett.5b01852

(8) Liu, M.; Li, Y.; Chen, P.; Sun, J.; Ma, D.; Li, Q.; Gao, T.; Gao, Y.; Cheng, Z.; Qiu, X.; Fang, Y.; Zhang, Y.; Liu, Z.2014,, 6342.doi: 10.1021/nl502780u

(9) Gao, Y.; Zhang, Y.; Chen, P.; Li, Y.; Liu, M.; Gao, T.; Ma, D.; Chen, Y.; Cheng, Z.; Qiu, X.; Duan, W.; Liu, Z.2013,, 3439.doi: 10.1021/nl4021123

(10) Qi, Y.;Zhang, Z. P.;Deng, B.; Zhou, X. B.; Li, Q. C; Hong, M.;Li, Y. C.; Liu, Z. F.; Zhang, Y. F.J. Am. Chem. Soc. 2017,139, 5849.doi: 10.1021/jacs.7b00647

Irreparable Defects Produced by the Patching of-BN Frontiers on Strongly Interacting Re(0001) and Their Electronic Properties

WU Kai

()

10.3866/PKU.WHXB201705171