非常小的步驟對想要制作大尺寸二維材料晶圓的研究人員有很大的不同。

基板中的原子尺寸的臺階提供了在化學(xué)蒸汽爐中生長的2D晶體以完美的等級聚集在一起的手段?？茖W(xué)家們最近觀察到了這種現(xiàn)象，現(xiàn)在萊斯大學(xué)的一個小組已經(jīng)知道它為什么會起作用。

水稻材料理論家Boris Yakobson和研究員Ksenia Bets領(lǐng)導(dǎo)了模擬的構(gòu)建，這些模擬顯示生長表面或基底上的原子大小的臺階具有顯著的能力，使單層晶體島在生長時保持對齊。

如果條件合適，島嶼會加入更大的晶體而沒有晶界，因此二維材料的特征就像通過化學(xué)氣相沉積(CVD)生長的石墨烯一樣。這保留了他們的電子完美和特征，這取決于材料。

Rice理論出現(xiàn)在美國化學(xué)學(xué)會期刊Nano Letters上。

調(diào)查集中在六方氮化硼(h-BN)，又名白色石墨烯，一種通常通過CVD生長的晶體。晶體在完全平坦的基板材料上的各個位置成核，并且不一定彼此對準(zhǔn)。

然而，最近的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，相鄰基質(zhì)上的生長 - 表面看起來平坦但實(shí)際上具有稀疏的原子級小步驟 - 可以使晶體排列并幫助它們合并成單一的，均勻的結(jié)構(gòu)，如arXiv所述。該報告的合著者和韓國團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人馮鼎是Yakobson實(shí)驗(yàn)室的校友，也是賴斯的現(xiàn)任兼職教授。

但實(shí)驗(yàn)主義者沒有表明它是如何運(yùn)作的，雅各布森說，這些步驟已知蜿蜒而且有點(diǎn)錯位。

“我喜歡將機(jī)制與'數(shù)字濾波器'進(jìn)行比較，'這里由原子晶格的離散性質(zhì)提供，”他說。“模擬曲線，其斜率，描述曲折步驟是由原子行組成的網(wǎng)格'采樣和數(shù)字化'，將曲線分成直線1D平臺段。斜率沒有幫助，但它沒有'令人驚訝的是，這場比賽可能很好;就像山上一座精心設(shè)計的房子一樣，它是直的。

“理論很簡單，雖然計算和確認(rèn)金屬模板和h-BN之間的互補(bǔ)性匹配需要花費(fèi)很多精力，幾乎就像DNA鏈中的AGTC對一樣，”Yakobson說。

目前尚不清楚為什么晶體合并成一體，直到Bets的模擬，在共同作者和賴斯研究生Nitant Gupta的幫助下，展示了h-BN“島”如何保持對齊，同時沿著明顯彎曲的臺階成核。

“一個鄰近的表面在平坦區(qū)域內(nèi)有一些略微錯位的步驟，”Bets說。“它有很大的梯田，但有時會有一個原子高的階梯。實(shí)驗(yàn)主義者的伎倆就是將這些連接步驟朝一個方向?qū)R。”

在化學(xué)氣相沉積中，將形成材料的原子的熱氣體流入腔室，在腔室中它們沉積在基板上并使晶體成核。鄰近表面上的h-BN原子傾向于沉淀在階梯的彎曲處。

“他們有一個漂亮的角落，原子將有更多的鄰居，這讓他們更快樂，”Bets說。“他們試圖與步驟保持一致，并從那里成長。

“但從物理學(xué)的角度來看，不可能有一個完美的，原子級平坦的步驟，”她說。“遲早會有小的壓痕或扭結(jié)。我們發(fā)現(xiàn)，在原子尺度上，如果它們的尺寸與h-BN結(jié)構(gòu)互補(bǔ)，則這些步驟中的扭結(jié)不會阻止h-BN對齊。事實(shí)上，它們有助于確保島嶼的共同定位。“

由于Rice實(shí)驗(yàn)室模擬的步驟深度為1.27埃(埃為十億分之一米)，因此生長的晶體在克服邊界方面幾乎沒有什么問題。“這些步驟小于原子之間的鍵距，”Bets說。“如果它們更大，如兩?；蚋?，它將更像是一個天然屏障，因此必須仔細(xì)調(diào)整參數(shù)。”

根據(jù)模擬結(jié)果，兩個相互接近的生長島嶼無縫連接在一起。類似地，沿著階梯出現(xiàn)的裂縫容易愈合，因?yàn)樵又g的鍵合足夠強(qiáng)以克服小距離。

據(jù)研究人員稱，任何大規(guī)模生長二維材料的道路都值得大量應(yīng)用。導(dǎo)電石墨烯，絕緣h-BN和半導(dǎo)體過渡金屬二硫化物等二維材料都是全世界研究人員密切關(guān)注的焦點(diǎn)。萊斯大學(xué)的研究人員希望他們的理論模型能指向多種大晶體。