强界面相互作用h-BN/Re(0001)体系上不可修复的畴区拼接缺陷及其电子态

吴 凯



强界面相互作用-BN/Re(0001)体系上不可修复的畴区拼接缺陷及其电子态

吴 凯

(北京大学化学与分子工程学院，北京 100871)

六方氮化硼(-BN)是以硼原子(B)与氮原子(N)交替连接形成的蜂窝状二维原子晶体，作为二维材料家族中唯一的宽带隙绝缘体(~5.8 eV)，具有优异的导热性、良好的透光性、稳定的化学性质以及原子级平整的表面，这使其在光发射器件、透明电子学器件、防氧化涂层等领域具有非常广阔的应用前景1–4。-BN与石墨烯(G)具有相似的晶体结构，却具有完全不同的电子结构，前者是宽带隙的绝缘体，后者是零带隙的半金属。由-BN与G这两种典型的二维单原子层材料所构筑的层间5以及层内6异质结构，不仅在探索凝聚态物理学基本问题上(例如Hofstadter butterfly effect)发挥了极大的作用，而且在构筑高迁移率石墨烯器件方面展现出了巨大的应用前景。

基于此，发展高品质-BN的制备方法，深入研究其基本物理性质，是实现-BN诸多潜在应用的前提基础。其中，对于-BN在单晶金属基底上的成核、生长行为的研究以及对其缺陷结构的精确表征和分析，将为高品质-BN的制备提供更为明确的指导。

北京大学纳米化学研究中心刘忠范、张艳锋课题组，利用界面相互作用强弱不同的金属单晶(Cu7、Ir8、Rh9)作为基底，对G和-BN的生长行为进行了系统的研究。利用超高真空扫描隧道显微镜/隧道谱(STM/STS)技术，在原子尺度上揭示了G和-BN在性质各异的金属基底上的成核、生长以及畴区拼接行为，以及局域电子结构的演化。这对于-BN及其它二维材料制备过程中涉及的基底选择的问题具有非常重要的指导意义。除此之外，由于材料生长过程中不可避免地会伴随着缺陷的产生，这些缺陷结构会对材料的物理、化学性质产生显著的调控作用。对于缺陷结构的充分认识和表征，对高品质材料的制备至关重要。

基于此，该课题组首次在强相互作用的金属基底Re(0001)上，利用超高真空-化学气相沉积(UHV-CVD)方法成功地制备出了单层-BN薄膜。借助高分辨STM技术，在原子尺度上研究了-BN的成核、生长及畴区边界的拼接行为。第一次系统地研究了单层-BN的三种界面拼接形式：B-终止边与N-终止边的拼接(B|N)，B-终止边与B-终止边的拼接(B|B)，以及N-终止边与N-终止边的拼接(N|N)，深入研究了这三种拼接类型所带来的缺陷结构，以及其对-BN电子态的调制作用。

研究发现，异质终止边的拼接只存在B|N拼接这一种类型。这一拼接形式不会在-BN中引入明显的线状缺陷结构，但会产生由5–7缺陷对诱导的“心形”摩尔结构。同时，这一缺陷结构会对-BN的电子结构产生显著的调制作用，带来~1.0 eV的带隙减小。然而，同质终止边的拼接存在两种不同的类型：B|B拼接及N|N拼接。B|B拼接会在-BN中引入原子尺度不连续的界面，会带来~0.4 eV带隙的减小。相反，N|N拼接会在-BN中引入原子尺度连续的拼接界面，N―N键的形成会引入新的电子态，带来~0.4 eV带隙的减小，这种电子态的变化也会导致拼接界面处STM衬度的变化。

本工作对强相互作用基底(例如Re(0001))上-BN的成核、生长、畴区拼接及缺陷结构进行了系统的研究，阐述了界面耦合对于-BN的生长以及性质的调控作用，对于高品质二维材料的可控制备和实际应用具有非常重要的指导意义。该研究成果最近在杂志上10发表。

(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