SmartMat |综述：合成二维材料的形状
学术
科技
2024-08-26 11:19
天津
Kong X, Fu C, Gladkikh V, Ding F. The shapes of synthesized two-dimensional materials. SmartMat. 2023; 4: e1152.
https://doi.org/10.1002/smm2.1152
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生长/蚀刻二维岛的形状是化学气相沉积(CVD)过程中最容易识别的特征，它揭示了许多关于生长/蚀刻的化学环境、衬底的影响和生长/蚀刻动力学的信息。在这里，我们总结了从以前的报道中实验观察到的CVD生长的二维材料的形状，对相应机制的理论认识以及相应的生长/蚀刻过程的模拟。综述文章的每一部分都是通过结合生长/蚀刻过程中控制晶体形状的基本原理和相关的实验观察来组织的，以方便读者阅读和理解内容。研究的内容包括附着受限的2D材料生长，扩散受限的2D材料生长(有和没有衬底的影响)，有和没有考虑衬底影响的2D材料的蚀刻和合并。作者还讨论了多层二维岛屿在CVD过程中的生长和蚀刻，这一主题仍在研究中。我们希望这篇综述也能引导读者了解二维材料生长的动力学，并提高各种二维材料的可控合成。
图 1. (A)不同边缘的锯齿状、扶手状和扭结状活性位点。扶手椅形核位点、之字形形核位点和扭结形核位点分别用蓝色圆圈、红色圆圈和三角形标记。(B)晶体生长(用向外箭头表示)和蚀刻(用向内箭头表示)过程中的二维动力学Wulff结构(KWC)示意图。红色和蓝色边缘分别代表较慢和较快的生长/蚀刻。(C)计算Pt(111)表面ZZ边和AC边上扭结形成能的模型。(D)生长过程中边和形态演化示意图。红、蓝、绿线分别代表ZZ、AC和S19边。(A-D)Copyright 2013, National Academy of Sciences. (E)不同活性位点的有效浓度与边角χ;DFT计算了不同金属基底上的成核势垒，KWC‐预测了kT = 0.3 eV或kT = 0.1 eV时Ni(111)表面石墨烯的形状。(F)左:GaSe不同边生长过程中形成能量的变化。右图:不同边开始生长的地层能量成本与化学势的对比。(G)化学势分别为0.06 eV和0.24 eV时，GaSe岛在生长过程中的传播速度和形状演变极坐标图。(F, G) Copyright 2016, American Chemical Society.图 2. (A)不同形状的六方氮化硼(h-BN)岛的扫描电镜(SEM)图像。(B)不同温度下不同h-BN边的生成能随∆μN的变化。(C) h-BN在真空中可能的稳定形状。(D) h钝化边缘时wulff结构生成的h-BN的形状(E)温度为1300 K时不同∆μN下h-BN的稳定形状(F-H)不同形状的MoS2薄片的SEM图像。(1) MoS2岛稳定形状随化学势变化的变化。(B-E)opyright 2018, The Royal Society of Chemistry.(F-I)Copyright 2020, IOP Publishing.
图 3. (A)石墨烯岛蚀刻形状演变的动力学Wulff结构。(B)石墨烯十二角形的扫描电子显微镜(SEM)图像和19.1°边缘示意图。Copyright 2013, National Academy of Sciences.(C)和(D)分别显示∆μ为0.06和0.24 eV时GaSe岛蚀刻示意图。Copyright 2016, American Chemical Society.(E-G)扫描电镜图像蚀刻GaSe岛在不同的分辨率。Copyright 2016, American Chemical Society. (H-J)原子力显微镜图像，半图像，以及蚀刻六方氮化硼岛和孔的原子模型。Copyright 2017,American Chemical Society. (K) GaSe岛的蚀刻过程。Copyright 2016,American Chemical Society. (L)在蚀刻Mo 1−xWxSe2孔时形状的变化。(M) zzse和ZZMo边缘刻蚀速度极坐标图。(N) (M)中孔的形状随蚀刻速度的变化。(L-N)Copyright 2018,Springer Nature.
图 4. 动力学蒙特卡罗模拟结果:(A)石墨烯生长过程中的形状演变。(B)蚀刻过程中石墨烯形状的变化。(C) (B)形状中α1和α2角随模拟时间的变化。(D)石墨烯空穴生长轨迹。(E) (D)中形状α1和α2随时间变化的角。(F)蚀刻孔的形状演变。(A-F)Copyright 2021, Springer Nature.(G)石墨烯生长-蚀刻-再生过程的形状演变实验扫描电镜图像。Copyright 2013, National Academy of Sciences. (H)在生长和蚀刻过程中，石墨烯岛和一个洞的角的详细结构。图表中的文字显示了反应能量和相应的事件。(I)薄片生长和空穴刻蚀石墨烯结构变化的比较。(J)薄片蚀刻和空穴生长石墨烯结构变化的比较。(H-I)Copyright 2021, Springer Nature.图 5. (A) DFT计算了两种锯齿形边缘在不同叠加位置、方向和相对于表面位置下的能量。(B)不同情况下石墨烯的Wulff结构。(C)和(D)不同堆叠位置下边缘生长的地层能量分布图。(E)和(F)分别根据(C)和(D)中能量的动力学Wulff结构。(G)通过动力学蒙特卡罗模拟计算出受衬底影响的可能的石墨岛形状。(A-G)Copyright2015, American Physical Society. (H)扫描电子显微镜(SEM)图像的孔生长在多面Pt表面和Pt表面的AFM图像。(I)平面Pt表面孔洞生长的SEM图像。(J) (H)孔洞生长的形状演变示意图。(K)表面台阶附近石墨烯岛的SEM图像。(L)对应(K)的生长速度极坐标图。(M)对应(L)的动力学伍尔夫构造形状。(N-P)不同情况下计算碳原子脱离能的模型。(H-P)Reproduced under the terms of the CC BY 4.0 license: Copyright 2015, Springer Nature.
图 6. 石墨烯、FeSe、六方氮化硼(h-BN)/TMD和GeSeon四种典型表面(100)、(110)、(111)表面和h-BN(0001)表面的可能形状和排列示意图。
图 7. (A)不同扩散系数D和向下通量F↓的相场模拟得到的石墨烯岛形状。(B) (A)对应的浓度场分布。(C)石墨烯形状与L/D的关系，其中L为耗尽带长度，D为石墨烯直径。(A-C)Copyright 2019, American ChemicalSociety.(D)实验观察到不同分形形状的石墨烯岛。(E)具有不同分形形状的六方氮化硼岛的扫描电镜(SEM)图像。(F)具有不同分形形状的MoSe2岛的实验显微照片。(D-F)Reproduced under the terms of the CC BY‐NC‐ND 3.0 license: Copyright 2013, Springer Nature.图 8. (A) Cu(110)表面石墨烯岛的扫描电镜(SEM)图像。(B) Cu(100)表面石墨烯岛的SEM图像。Copyright 2018, Wiley‐VCH. (C-H)铜(100)和铜(110)表面石墨烯岛的显微照片。左列图像为Cu(100)例，右列图像为Cu(110)例。不同的行对应不同的H2分压。Copyright 2013, American Chemical Society.(I) Cu(331)上石墨烯岛的SEM图像。Copyright 2015, American Chemical Society.(J) MoS2岛的实验观测。Reproduced under the terms of the CC BY 4.0 license: Copyright 2017, Springer Nature..
图 9. (A-D)聚并过程中石墨烯岛之间120°凹角处出现新边缘的图像。(E)在120°凹角处形成新边缘的原子模型。(F-I)四种不同情况下，两个石墨烯岛通过动力学wULFF结构聚并。(J) Pt(111)聚结过程中石墨烯岛间60°凹角的形状演变。(K) Rh(111)表面聚结过程中畴间60°凹角的形状演变。(L)扫描电子显微镜(SEM)图像显示六方氮化硼岛聚并。(M) SEM图像显示，在MoS2域之间的凹角处生长了一个新的边缘。(N) MoS2新边生长的原子模型。(O)相场模拟的两个MoS2岛聚并过程中的形状演化。Copyright 2020, American Chemical Society.
图 10. (A)石墨烯晶界形成能随不对准角的变化。(B)石墨烯岛的两种聚结示意图:上排为它们的错向角在30°左右时的情况，而下排的错向角远小于30°。(C)含有两粒的多晶石墨烯岛的形状形成示意图。Copyright 2019, Wiley‐VCH. (D)六方氮化硼岛的晶界能量随倾角的变化。Copyright 2012, American Chemical Society. (E) MoS2中晶界的倾斜角依赖能量。Copyright 2013, American Chemical Society. (F)领结形状和六星TMD的相场模拟。Copyright 2016, American Chemical Society.图 11. (A)预测的III/II或III/VI族二维多晶文库。Copyright 2022, SpringerNature.(B) Cu(110)表面生长的多晶六方氮化硼岛的实验观察。Copyright 2016, The Royal Society of Chemistry. (C, D)基于具有12个凸顶点的多晶体的11和4个凸顶点的稳态多晶体结构示意图。选择消失的凸顶点由虚线轮廓表示。(E-F)分别以具有12个凸顶点的多晶岛为基础，构建具有8个和6个凸顶点的稳态多晶岛的原理图。选择消失的凸顶点在第二个面板中用虚线表示。(C-F)Copyright 2022, Springer Nature.
图 12. (A-E)多晶石墨烯岛的扫描电镜(SEM)图像。Copyright 2015, American Chemical Society. (F-O)多晶六方氮化硼岛的SEM图像。(F)Copyright 2015, Wiley‐VCH. (G-J)Reproduced under the terms of the CC BY 4.0 license: Copyright 2017, Springer Nature.(K-O)Copyright 2017, American Chemical Society.(P-T) TMD多晶薄片的SEM图像。Copyright 2013, American Chemical Society.
图 13. (A)蚀刻石墨烯多晶岛的扫描电镜(SEM)图像。Copyright 2015, American Chemical Society. (B)氢氮化硼多晶体的原子力显微镜图像。Reproduced under the terms ofthe CC BY 4.0 license: Copyright 2015, Springer Nature. (C)蚀刻GaSe多晶岛的SEM图像。Copyright 2017, American Chemical Society.图 14. (A)不同取向双层和三层石墨烯的实验观察。Copyright 2014, Wiley-VCH.(B)具有分形第二层的双层石墨烯扫描电镜图像。Copyright 2017, IOP Publishing. (C)螺旋石墨烯岛的显微照片。Copyright 2018,American Chemical Society. (D)透射电镜图像，原子模型，螺旋多层六方氮化硼示意图。Copyright 2019, American Chemical Society. (E) 2、3、4、6、9、10层MoS2多层岛的光学图像。Copyright 2017, Wiley-VCH.(F)不同形态的多层WSe2岛的实验结果。Copyright 2018, The Royal Society of Chemistry; Copyright 2017, American Chemical Society.
图 15. (A)三种具有基利格米结构的多层二氧化硅薄片的各层形状示意图。(B) 4、5、6、9层WSe2的扫描电镜(上图)和AFM(下图)图像。(C)相场模拟前的初始形状，“1”和“2”表示两个初始空洞。(D)不同时间添加两种种子的TMD岛屿的形状演变。Copyright 2018, American Chemical Society.
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作者简介
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丁峰，蔚山国立科学技术研究院(UNIST)特聘教授，韩国基础科学研究院(IBS)配方碳材料中心(CMCM)组长。在获得博士学位后, 他曾在瑞典哥德堡大学(2003-2005)、美国莱斯大学(2005-2008)和香港理工大学(2009-2017)工作。他在UNIST的研究团队对计算方法的发展，各种碳材料和二维材料的理论探索，特别是它们的形成机制，成核，生长和蚀刻的动力学感兴趣。
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