北理工教師在超高真空機械解理和堆垛技術(shù)領(lǐng)域取得研究進展
發(fā)布日期：2022-06-11 供稿：前沿交叉科學研究院
編輯：朱倩云 審核：唐水源 閱讀次數(shù)：近年來,，二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于在電子,、光電及自旋器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應用潛力而得到了人們的廣泛關(guān)注。然而,，制備表面高度潔凈的二維材料以及界面原子級平整干凈的二維異質(zhì)結(jié)仍然十分困難,，尤其是對于表面敏感的二維材料而言更是如此。制備二維材料的方法主要分為兩大類：以分子束外延（MBE）和化學氣相沉積為代表的“自下而上”法和以機械解理為代表的“自上而下”法,。其中,，“自下而上”法由于受到生長動力學的制約，僅能在特定襯底上制備特定的二維材料,，并且制備出的二維材料通常具有確定的取向,，因此極大地限制了可獲得的二維異質(zhì)結(jié)的種類。相比于“自下而上”的材料合成策略,，以機械解理為代表的“自上而下”方法具有操作簡單,、靈活性強的特點，對于范德瓦爾斯材料而言可以很容易地制備傳統(tǒng)生長方法難以實現(xiàn)的少層樣品和轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu),。然而,，傳統(tǒng)的機械解理方法是在大氣或手套箱中進行，仍然存在很多問題：（1）環(huán)境的污染將引入大量的雜質(zhì)或缺陷,。即使對于穩(wěn)定的二維材料（比如石墨烯）而言,，這種方法制備的樣品在傳入真空后，由于表面吸附了大量的分子，未經(jīng)退火處理的話難以利用角分辨光電子能譜（ARPES）,、掃描隧道顯微鏡（STM）等表面敏感的技術(shù)進行測量，而高溫退火可能引入更多的雜質(zhì)或缺陷,。（2）很多單晶表面在空氣中甚至低真空環(huán)境下不能穩(wěn)定存在,，比如Si(111)-7×7、Cu(111),、Fe(100)等,，這些材料的表面必然會被氧化并吸附大量的雜質(zhì)。因此,，常壓下的機械解理方法無法制備二維材料與這類襯底構(gòu)筑的異質(zhì)界面,。
北京理工大學黃元教授在機械解理技術(shù)制備二維材料領(lǐng)域有長期的積累，發(fā)展了多種國際領(lǐng)先的新型制備技術(shù),，在高質(zhì)量二維材料制備和本證物性研究方面取得了多項重要突破,。最近，北京理工大學的黃元教授與中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的馮寶杰特聘研究員,、陳嵐研究員,、吳克輝研究員合作，指導博士生孫振宇,、韓旭等,，自主設(shè)計并搭建了一套工作于超高真空環(huán)境下的二維材料機械解理-堆垛系統(tǒng)。他們將機械解理技術(shù)與超高真空MBE技術(shù)結(jié)合到了一起,，在本底真空10-10 mbar量級的環(huán)境中,，利用MBE技術(shù)制備了多種原子級平整、潔凈的表面,，并利用機械解理技術(shù)在這些襯底上成功解理了多種單層和少層二維材料,。
設(shè)備的工作原理圖如1所示，所有操作均在超高真空中完成,。首先,，他們利用高溫退火、離子濺射,、等離子體刻蝕,、MBE生長等多種表面處理技術(shù)獲得原子級平整、潔凈的表面,。表面的質(zhì)量可以通過原位的掃描隧道顯微鏡,、低能電子衍射、角分辨光電子能譜等超高真空表面分析手段進行確認,。然后,，他們在超高真空中將二維材料進行解理，獲得新鮮的表面，并輕壓到襯底表面上,。最后,，他們將系統(tǒng)加熱并分離，獲得了多種單層和少層二維材料,。利用該方法,，他們不僅重復了大氣下的金輔助解理技術(shù)，而且成功獲得了多種以前未報道過的二維異質(zhì)結(jié),，包括Bi-2212/Al2O3,、Bi-2212/Si(111)、MoS2/Si(111),、MoS2/Fe,、MoS2/Cr以及FeSe/SrTiO3（任意角度）等。
圖1 超高真空中機械解理二維材料
圖2 在單晶襯底上獲得的超薄二維材料
為進一步展示該系統(tǒng)的能力,，他們選擇了兩個體系作為示例,。（1）利用金輔助解理技術(shù)，他們在超高真空中制備出了毫米級的單層黑磷樣品,，并利用原位的低能電子衍射,、角分辨光電子能譜對樣品進行了表征，觀察到了清晰的衍射斑點和沿高對稱方向的空穴形能帶（圖3）,。這是國際上首次對單層黑磷進行的相關(guān)測量,。（2）為了揭示不同金屬襯底對二維材料物性的影響，他們研究了單層MoS2和WSe2在不同金屬表面的光學性質(zhì)（圖4）,。通過測量不同金屬上單層WSe2的熒光光譜,，他們意外地發(fā)現(xiàn)除了Au襯底以外，剩下的Ag,、Fe,、Cr等表面均不淬滅WSe2的特征A激子發(fā)射，且峰位略有偏移,。通過拉曼光譜,，他們發(fā)現(xiàn)在Au和Ag表面上的MoS2，其特征拉曼峰E2g和A1g除頻率移動外,，展現(xiàn)出了奇特的劈裂行為,。
圖3 大面積單層黑磷的真空原位LEED和ARPES表征
圖4 不同金屬表面單層WSe2和MoS2的光學響應
本工作為進一步制備高質(zhì)量的二維材料及異質(zhì)結(jié)樣品、研究材料的本征物性以及界面演生現(xiàn)象提供了一種全新的方法,。相關(guān)成果以“Exfoliation of 2D van der Waals crystals in ultrahigh vacuum for interface engineering”為題發(fā)表在Science Bulletin上（doi.org/10.1016/j.scib.2022.05.017,，影響因子：11.780）。該工作得到了國家自然科學基金委,、科技部,、北京市自然科學基金、中科院國際合作項目以及中科院先導B等項目的資助。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927322002249
附作者介紹：
黃元,，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授,，博士生導師。主要研究領(lǐng)域集中在二維材料的制備,、表征,、器件加工和物性測量/調(diào)控等方向。在Nature Physics,、Nature Communications、Physical Review Letters,、ACS Nano等共計發(fā)表SCI論文80余篇,，其中第一作者（含共一）及通訊作者文章40余篇，論文總引用4100余次,。主持國家重點研發(fā)計劃（青年項目）,，主持國家基金委優(yōu)秀青年基金和面上項目，重慶市杰出青年基金項目,。2019年入選中科院青促會會員,，2020年獲中國科協(xié)“中國十大科技新銳人物”榮譽稱號，2021年獲中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎創(chuàng)新獎二等獎(排名第一),。擔任Physical Review Letters,，Nature Communications, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Letters，《物理學報》等國內(nèi)外知名期刊審稿人,；擔任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年編委,。
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