Advanced Science:二维单斜二硫化铼中全体晶界结构数据库

近十年来,二维材料作为一种新兴材料,自发现以来便引起了科学界的广泛关注。从具有高对称性的石墨烯到低对称的黑磷,以及不胜枚举的过渡金属二硫族化合物,这些材料在光、电、磁等领域展现出来的出色特性无一不归功于其原子结构的独特性质。其中,晶界作为一种普遍存在的缺陷,常见于生长制备阶段,也可通过电子辐照和退火产生,并对材料的电学和机械特性有着显著的影响。因此,结合二维材料尺度上的超薄特性,对晶界及其原子结构的探索对开发二维材料的应变可调应用至关重要。

最近,二维材料中具有最低对称性的材料——二硫化铼的生长制备得以实现。二硫化铼各向异性的原子结构使其与其他二维材料在特性上呈现诸多差异。就晶界而言,石墨烯的晶界可分为大角度晶界,小角度晶界和其反对称性带来的孪晶界。对于对称性相对较低的二硫化钼,孪晶界两侧硫原子的取向又可被细化为“向上”和“向下”两种类型。显然,晶界的种类在结构更为复杂的二维单斜二硫化铼中也更加繁多。

香港理工大学应用物理系赵炯课题组,香港城市大学化学系李淑惠课题组和淮阴师范学院邓庆明课题组组成的研究团队,通过化学气相沉积法合成二维单斜二硫化铼材料,利用球差透射电子显微镜观察到高分辨率的二硫化铼原子相。根据高/低晶面指数及晶界两侧铼原子排布间距一致与否,二硫化铼的晶界可归为四大类。对于低指数晶界,其中有传统定义上的孪晶界,而孪晶界又存在两侧硫原子取向一致/不一致两种。此分类依据与孪晶界的形成机理密不可分:对于机械应变形成的孪晶界,两侧硫原子的取向必定一致,因为机械应力的能量不足以支持硫原子穿过基面重排;而对于生长过程中形成的孪晶界,两侧的硫原子取向则可能不一致,取决于两侧材料合并形成孪晶界前各自的取向。实验中观察到,在电子束的辐照/或者力学形变产生的孪晶界和某些长度较短的低指数、非对称类晶界具有可移动性,而某些晶界的则有可能被位错固定,不可移动。与此同时,缺陷、应力等周围环境的影响也会改变晶界的可移动性。该研究团队也从动力学模型、DFT理论计算中获得了与实验观察一致的结论,从能量角度证明了晶界的成因、移动性及其类别之间的关系。

通过对各类晶界的动力学分析,研究者相信,利用对对生长、机械应力等条件的控制,可以创造和改变二硫化铼及同类单斜材料的晶界,进而丰富其电、磁学领域的应用。相关结果发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202001742)上。