北大张锦院士团队发现低对称性二维晶体的晶界结构

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物质科学

Physical science

近日，北京大学的张锦院士团队及其合作者在Cell
Press（细胞出版社）旗下期刊Matter上报道了低对称性单层硫化铼（ReS2）晶体中由平行和准平行晶粒构成的重叠晶界的原子级结构解析和性质预测。研究者结合纳米颗粒在晶粒边界的选择性吸附和球差校正透射电子显微术，实现了在微米尺度大范围、快速显像晶界和在亚纳米尺度精确表征晶界原子结构的兼得；精确解析了具有不同取向、宽度、原子层间堆垛方式的多种重叠晶界，并结合密度泛函理论计算预测了低对称性硫化铼晶体中重叠晶界的电子能带结构将与晶界的取向密切相关。

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晶界是材料中重要且常见的微观结构。它显著影响着材料整体的导电、导热、发光和机械性能，这一特点对于仅由表面原子构成的二维晶体更加明显。然而，由于晶粒大小与晶界宽度之间存在4-5个数量级的巨大尺度差异，导致采用单一普通测试方法难以实现在大范围内对材料晶界的快速检索与在亚纳米尺度对晶界原子结构的高分辨成像这两个目标的同时达成。此外，表征各向异性二维材料中由彼此平行的晶粒构成的晶界更加具有挑战，因为低晶体对称性增添了晶界结构的多样性与复杂性，而丧失的晶粒间扭角使得对晶界的发现更为困难。

本文要点：

要点一: 利用材料晶界处的高化学活性，实现了铂(Pt)纳米颗粒在多晶单层ReS2晶界处的选择性沉积，从而可在扫描透射电镜的低倍模式下，利用具有高衬度的Pt纳米颗粒作为指示剂，快速获取材料大面积内的晶界分布与位置信息。再结合高分辨扫描透射电镜环形暗场成像（ADF-STEM），对确定的晶界位置进行纳米尺度的局域高倍观测，实现了对晶界的快速发掘与原子级结构解析的兼得。

▲图1. 利用纳米颗粒显像单层ReS2中的重叠晶界。

要点二：三斜晶系的单层ReS2中彼此平行的晶粒因存在水平位移而无法形成原子级成键的晶界，只能产生重叠晶界；表征了具有不同宽度和层间堆垛模式的重叠晶界，并发现其具有显著的优势取向性。此外，还观测到由扭角小于1°的准平行晶粒形成的重叠晶界，数学证明其为非共度结构，不具有平移对称性，继魔角石墨烯和双层碳管的超润滑研究之后，该发现有望激发对非公度小角重叠晶界在电学和结构超润滑领域的性质探索。

要点三：密度泛函理论计算表明，取向的差异会显著影响重叠晶界的电子能带结构，使其表现出间接带隙半导体、直接带隙半导体和金属等不同的能带特性。此外，单层ReS2重叠晶界的能带结构主要由边界原子贡献，而受层间堆叠影响较小。

▲图2. 典型的单层ReS2重叠晶界的原子级结构解析及密度泛函理论对不同取向重叠晶界度的电子能带结构计算。

小结：

该工作提出了对无扭角重叠晶界的高效、高精度表征方法，解析了低对称性二维材料中重叠晶界的多种原子级结构，揭示了它们在取向、宽度、层间堆垛、结构公度性以及电子能带结构等方面的多样性以及与高对称性二维晶体间的差异。这些发现为在二维材料表面自下而上构筑具有不同电学性质的一维通道，以及利用“晶界工程”调控纳米材料的理化性质奠定了结构学基础。

第一作者：王珊珊，于跃，张树清

通讯作者：张锦

通讯单位：北京大学

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论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Matter上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Atomic-Scale Studies of Overlapping Grain Boundaries between Parallel and Quasi-Parallel Grains in Low-Symmetry Monolayer ReS2

▌论文网址：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30513-0#%20

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.09.015

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