近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室博士后陈伟 ，与美国田纳西大学、中国科学院物理研究所、北京大学等研究机构的同行合作，揭示了弱的范德瓦尔斯力与强的界面化学键在决定生长过程中二维材料相对于衬底晶格的取向时所起的关键协同作用。相关研究成果于11月10日在线发表在《美国科学院院刊》上，陈伟为论文共同第一作者。
二维材料具有很多优越的物理与化学性质。随着Geim和Novoselov于2004年成功地机械剥离出单层石墨烯，越来越多的凝聚态物理与材料科学研究集中在二维材料，并制备出二硫化钼与氮化硼等新的单层体系。为了进一步拓展可能存在的新奇物理现象并改良出功能更为完美的新型复合材料，因发现石墨烯而获得2010年诺贝尔物理奖的Geim及其合作者近期提出了范德瓦尔斯异质结的概念，即通过层与层之间的弱相互作用，将不同的二维材料以一定的顺序堆积起来，从而获得新的体系与物性。
此前的工作大部分基于机械转移来实现堆积，层与层之间的相对角度取向存在着不可避免的不确定性，严重影响了范德瓦尔斯异质结的性质。近几年来，二维材料在金属上的外延生长成为一种更有效地控制范德瓦尔斯异质结的层间排布的方法。陈伟博士与实验合作者发现，尽管单层氮化硼与石墨烯有非常相似的晶格结构与结构参数，但当它们外延生长在铜衬底的100表面时，有非常不同的取向：氮化硼严格地对准衬底的高对称方向，而石墨烯却展示很多不同的低对称性的排布可能。通过基于第一性原理的理论计算，该团队发现石墨烯与铜的相互作用远强于氮化硼，导致衬底上相近的铜原子的位置发生了显著的畸变，进而使得石墨烯在生长过程中无法有效地校准铜衬底本征的高对称方向。
作为更强的界面相互作用反而导致更差的空间相对取向的一个违反直觉的例子，该研究不仅丰富了二维材料非平衡生长的基本概念，也有助于推进范德瓦尔斯异质结及其复合材料在未来器件中的应用。
上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部和教育部量子信息与量子科技前沿协同创新中心等的资助。
来源：中国科学院
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