图1. (a) MoX2和(b) WX2锯齿型纳米条带边缘重构示意图。中间插图以Mo边为例展示了普适的(2×1)重构的自钝化过程。
二维材料集成为器件所面临的另一大挑战是将体系的维度进一步可控地降低,如制备出尺寸可控的量子点、量子线、纳米条带等。伴随着二维材料维度的降低,会衍生出丰富而奇特的物性。然而,前期的TMD纳米条带研究仅限于通过利用透射电子显微镜(TEM)的电子束照射自上而下(top-down)制备,其边缘不可避免地存在许多缺陷,大大制约了相应的物性探讨与器件应用。近日,崔萍博士等人与美国德克萨斯大学奥斯汀分校施至刚和浙江大学金传洪两位教授的实验研究组合作,基于前期对TMD边缘重构的理论工作,在国际上首次以自下而上(bottom-up)的方法实现了MoSe2纳米条带的可控制备(如图2所示)。首先,理论上预言随着生长温度的升高,所生长的岛会从分维型结构(fractal)到密集型结构(compact)转变,并为实验所验证。但意外的是,当生长温度继续升高时,实验上观察到密集型结构会进一步转变为准一维的条带结构,其长度和宽度可随生长条件而改变。基于这一奇特现象,理论上进一步推测:MoSe2锯齿型边缘会发生自钝化重构,而不同MoSe2边缘的能量和稳定性可决定其生长速率,也进而可决定MoSe2的生长模式,因此通过调节温度和Se:Mo比例应可改变衬底上Se的浓度及边缘重构模式,从而实现纳米条带的可控制备。这一推测为后续的对比实验与第一性原理计算所验证。由于TMD材料锯齿型金属边的自钝化重构模式具有普适性,这种通过边缘重构控制体系形貌的生长机理也将适用于其它TMD体系。这一工作发表在Nature Commun. 8, 15135 (2017)。图2. (a)不同生长温度下MoSe2形貌的原子力显微镜(AFM)图像;(b)第一性原理计算比较不同MoSe2纳米条带的结构与能量:上图中重构的锯齿型边缘能量明显低于扶手椅型边缘能量;下图中两者能量相近。
上述研究得到了国家自然基金委、科技部、中科院和教育部的资助。