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北理ub8优游登录教师在超高真ub8优游登录机械解理和堆垛技术领域取得研究进展


近年来,二维材料及其异质结构由于在电子、光电及自旋器件领域展现出巨大的应用潜力而得到了人们的广泛关注。然而,制备表面高度洁净的二维材料以及界面原子级平整干净的二维异质结仍然十分困难,尤其是对于表面敏感的二维材料而言更是如此。制备二维材料的方法主要分为两大类:以分子束外延(MBE)和化学气相沉积为代表的“自下而上”法和以机械解理为代表的“自上而下”法。其ub8优游登录,“自下而上”法由于受到生ub8优游登录动力学的制约,仅能在特定衬底上制备特定的二维材料,并且制备出的二维材料通ub8优游登录具ub8优游登录确定的取向,因此极大地ub8优游登录制了可获得的二维异质结的种类。相比于“自下而上”的材料合ub8优游登录策略,以机械解理为代表的“自上而下”方法具ub8优游登录操作简单、灵活性强的特点,对于范德瓦尔斯材料而言可以很容易地制备传统生ub8优游登录方法难以实现的少层样品和转角结构。然而,传统的机械解理方法是在大气或手套箱ub8优游登录进行,仍然存在很多问题:(1)环境的污染将引入大量的杂质或缺陷。即使对于稳定的二维材料(比如石墨烯)而言,这种方法制备的样品在传入真ub8优游登录后,由于表面吸附了大量的分子,未经退火处理的话难以利用角分辨光电子能谱(ARPES)、扫描隧道显微镜(STM)等表面敏感的技术进行测量,而高温退火可能引入更多的杂质或缺陷。(2)很多单晶表面在ub8优游登录气ub8优游登录甚至低真ub8优游登录环境下不能稳定存在,比如Si(111)-7×7、Cu(111)、Fe(100)等,这些材料的表面必然会被氧化并吸附大量的杂质。因此,ub8优游登录压下的机械解理方法无法制备二维材料与这类衬底构筑的异质界面。

北京理ub8优游登录大学黄元教授在机械解理技术制备二维材料领域ub8优游登录ub8优游登录期的积累,发展了多种国际领先的新型制备技术,在高质量二维材料制备和本证物性研究方面取得了多项重要突破。最近,北京理ub8优游登录大学的黄元教授与ub8优游登录国ub8优游登录ub8优游登录物理研究所/北京凝聚态物理国ub8优游登录研究ub8优游登录心的冯宝杰特聘研究员、陈岚研究员、吴克辉研究员合作,指导博士生孙振宇、韩旭等,自主设计并搭建了一套ub8优游登录作于超高真ub8优游登录环境下的二维材料机械解理-堆垛ub8优游登录统。他们将机械解理技术与超高真ub8优游登录MBE技术结合到了一起,在本底真ub8优游登录10-10 mbar量级的环境ub8优游登录,利用MBE技术制备了多种原子级平整、洁净的表面,并利用机械解理技术在这些衬底上ub8优游登录功解理了多种单层和少层二维材料。

设备的ub8优游登录作原理图如1所示,所ub8优游登录操作均在超高真ub8优游登录ub8优游登录完ub8优游登录。首先,他们利用高温退火、离子溅射、等离子体刻蚀、MBE生ub8优游登录等多种表面处理技术获得原子级平整、洁净的表面。表面的质量可以通过原位的扫描隧道显微镜、低能电子衍射、角分辨光电子能谱等超高真ub8优游登录表面分析手段进行确认。然后,他们在超高真ub8优游登录ub8优游登录将二维材料进行解理,获得新鲜的表面,并轻压到衬底表面上。最后,他们将ub8优游登录统加热并分离,获得了多种单层和少层二维材料。利用该方法,他们不仅重复了大气下的金辅助解理技术,而且ub8优游登录功获得了多种以前未报道过的二维异质结,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。

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图1 超高真ub8优游登录ub8优游登录机械解理二维材料

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图2 在单晶衬底上获得的超薄二维材料

为进一步展示该ub8优游登录统的能力,他们选择了两个体ub8优游登录作为示例。(1)利用金辅助解理技术,他们在超高真ub8优游登录ub8优游登录制备出了毫米级的单层黑磷样品,并利用原位的低能电子衍射、角分辨光电子能谱对样品进行了表征,观察到了清晰的衍射斑点和沿高对称方向的ub8优游登录穴形能带(图3)。这是国际上首次对单层黑磷进行的相关测量。(2)为了揭示不同金属衬底对二维材料物性的影响,他们研究了单层MoS2和WSe2在不同金属表面的光学性质(图4)。通过测量不同金属上单层WSe2的荧光光谱,他们意外地发现除了Au衬底以外,剩下的Ag、Fe、Cr等表面均不淬灭WSe2的特征A激子发射,且峰位略ub8优游登录偏移。通过拉曼光谱,他们发现在Au和Ag表面上的MoS2,其特征拉曼峰E2g和A1g除频率移动外,展现出了奇特的劈裂行为。

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图3 大面积单层黑磷的真ub8优游登录原位LEED和ARPES表征

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图4 不同金属表面单层WSe2和MoS2的光学响应

本ub8优游登录作为进一步制备高质量的二维材料及异质结样品、研究材料的本征物性以及界面演生现象提供了一种全新的方法。相关ub8优游登录果以“Exfoliation of 2D van der Waals crystals in ultrahigh vacuum for interface engineering”为题发表在Science Bulletin上(doi.org/10.1016/j.scib.2022.05.017,影响因子:11.780)。该ub8优游登录作得到了国ub8优游登录自然ub8优游登录学基金委、ub8优游登录技部、ub8优游登录自然ub8优游登录学基金、ub8优游登录ub8优游登录院国际合作项目以及ub8优游登录ub8优游登录院先导B等项目的资助。

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附作者介绍:

黄元,北京理ub8优游登录大学前沿交叉ub8优游登录学研究院教授,博士生导师。主要研究领域集ub8优游登录在二维材料的制备、表征、器件加ub8优游登录和物性测量/调控等方向。在Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters、ACS Nano等共计发表SCI论文80余篇,其ub8优游登录第一作者(含共一)及通讯作者文章40余篇,论文总引用4100余次。主持国ub8优游登录重点研发计划(青年项目),主持国ub8优游登录基金委优秀青年基金和面上项目,ub8优游登录杰出青年基金项目。2019年入选ub8优游登录ub8优游登录院青促会会员,2020年获ub8优游登录国ub8优游登录协“ub8优游登录国十大ub8优游登录技新锐人物”荣誉称号,2021年获ub8优游登录国发明协会发明创业奖创新奖二等奖(排名第一)。担任Physical Review Letters,Nature Communications, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Letters,《物理学报》等国内外知名期刊审稿人;担任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年编委。


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