莱斯大学 莱斯大学的研究人员(左起)克塞尼娅·贝茨、鲍里斯·雅科布森和妮塔·古普塔模拟了2D六方氮化硼单晶的生长，并详细说明了大晶体在阶梯表面形成的机理
学分:杰夫·菲特洛/莱斯大学 非常小的步骤对想要制造二维材料大晶片的研究人员来说有很大的不同
衬底中原子大小的台阶为在化学蒸汽炉中生长的二维晶体提供了完美排列的手段
科学家们最近观察到了这一现象，现在莱斯大学的一个小组已经知道了它的工作原理
水稻材料理论家鲍里斯·雅科布森和研究员克塞尼亚·贝茨领导了模拟的构建，显示生长表面或衬底上的原子大小的台阶具有在生长时保持单层晶体岛排列的非凡能力
如果条件合适，这些岛结合成一个更大的晶体，没有晶界，这是二维材料的特征，如通过化学气相沉积生长的石墨烯
这保持了它们的电子完美性和特性，这些特性因材料而异
赖斯理论发表在美国化学学会杂志《纳米快报》上
这项研究集中在六方氮化硼，也就是通常通过化学气相沉积法生长的白色石墨烯
晶体在完全平坦的衬底材料上的不同位置成核，并且不一定彼此对准
然而，最近的实验表明，在邻近的基底上生长——表面看起来平坦，但实际上有稀疏的原子级小台阶——可以排列晶体，帮助它们合并成单一、均匀的结构，如arXiv上报道的那样
该报告的合著者、韩国团队的领导者丁峰是雅科布森实验室的校友，也是莱斯大学的现任副教授
但是实验学家没有展示它是如何工作的，雅科布森说，众所周知，台阶是曲折的，有些错位
“我喜欢把这种机制比作‘数字滤波器’，这是由原子晶格的离散特性提供的，”他说
“模拟曲线以其斜率描述了一个曲折的台阶，它被组成原子行的网格‘采样和数字化’，将曲线分成直的1D阶地段
斜坡没有帮助，但不疼
出人意料的是，匹配可以很好；就像山上设计良好的房子一样，它笔直地矗立着
雅科布森说:“理论很简单，尽管计算和确认金属模板和氢氮化硼之间的互补匹配需要大量的艰苦工作，几乎就像DNA链中的A-G-T-C对一样。”
直到贝茨在合著者和莱斯大学研究生妮塔·古普塔的帮助下进行的模拟显示出氢氮化硼“岛”是如何在明显弯曲的台阶上成核的同时保持排列的，人们才明白为什么这些晶体融合得如此之好
贝茨说:“邻近的表面在平坦区域内有轻微错位的台阶。”
“它有很大的台阶，但有时会有一个原子高的台阶
实验主义者的诀窍是将这些相邻的步骤排列在一个方向上
" 在化学气相沉积中，将形成材料的热原子气体流入腔室，在那里它们沉积在衬底上并使晶体成核
邻近表面上的氢氮化硼原子更喜欢停留在台阶的弯曲部分
“他们有一个很好的角落，原子会有更多的邻居，这让他们更快乐，”贝茨说
“他们试图与台阶保持一致，并从那里成长
“但是从物理学的角度来看，不可能有一个完美的原子级台阶，”她说
“迟早会有小缺口，或扭结
我们发现，在原子尺度上，如果台阶上的这些纽结的尺寸与氢氮化硼的结构互补，它们不会妨碍氢氮化硼的排列
事实上，它们有助于确保岛屿的共同定位
" 因为赖斯实验室模拟的步骤是1
27埃深(一埃是十亿分之一米)，生长中的晶体很容易越过边界
“这些台阶比原子间的键距小，”贝茨说
“如果它们更大，比如两埃或更高，那就更像是一个天然屏障，所以参数必须仔细调整
" 模拟显示，两个相互靠近的不断增长的岛屿无缝地连接在一起
类似地，沿着台阶出现的裂缝很容易愈合，因为原子之间的键强到足以克服小的距离
研究人员称，任何实现二维材料大规模增长的途径都值得大量应用
像导电石墨烯、绝缘氢氮化硼和半导体过渡金属二硫化物这样的二维材料都是世界各地研究人员密切关注的焦点
赖斯的研究人员希望他们的理论模型能为多种大晶体指明方向
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