強(qiáng)界面相互作用h-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

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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(jí)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(wèn)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(duì)于-BN在單晶金屬基底上的成核、生長(zhǎng)行為的研究以及對(duì)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(duì)G和-BN的生長(zhǎng)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(zhǎng)以及疇區(qū)拼接行為，以及局域電子結(jié)構(gòu)的演化。這對(duì)于-BN及其它二維材料制備過(guò)程中涉及的基底選擇的問(wèn)題具有非常重要的指導(dǎo)意義。除此之外，由于材料生長(zhǎng)過(guò)程中不可避免地會(huì)伴隨著缺陷的產(chǎn)生，這些缺陷結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)材料的物理、化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著的調(diào)控作用。對(duì)于缺陷結(jié)構(gòu)的充分認(rèn)識(shí)和表征，對(duì)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R(shí)e(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(zhǎng)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(lái)的缺陷結(jié)構(gòu)，以及其對(duì)-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(huì)在-BN中引入明顯的線狀缺陷結(jié)構(gòu)，但會(huì)產(chǎn)生由5–7缺陷對(duì)誘導(dǎo)的“心形”摩爾結(jié)構(gòu)。同時(shí)，這一缺陷結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)-BN的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的調(diào)制作用，帶來(lái)~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(huì)在-BN中引入原子尺度不連續(xù)的界面，會(huì)帶來(lái)~0.4 eV帶隙的減小。相反，N|N拼接會(huì)在-BN中引入原子尺度連續(xù)的拼接界面，N―N鍵的形成會(huì)引入新的電子態(tài)，帶來(lái)~0.4 eV帶隙的減小，這種電子態(tài)的變化也會(huì)導(dǎo)致拼接界面處STM襯度的變化。

本工作對(duì)強(qiáng)相互作用基底(例如Re(0001))上-BN的成核、生長(zhǎng)、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(duì)于-BN的生長(zhǎng)以及性質(zhì)的調(diào)控作用，對(duì)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

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10.3866/PKU.WHXB201705171