Nature 子刊：利用位错合成嵌入二维材料中的一维纳米线

【引言】

二维（2D）材料由于其原子级的薄度而成为下一代电子学最有前途的候选材料之一，允许灵活的透明电子元件和极限长度缩放。到目前为止，已经证实了原子级薄的p-n结，金属 - 半导体接触和金属 - 绝缘体屏障。虽然二维材料实现了最薄的设备，但横向尺寸的精确纳米级控制也是必要的。

减小原子级2D器件的横向尺度不仅对于实现电子器件应用至关重要，而且对于达到量子限制所需的长度尺度也是至关重要的。迄今为止，许多设备依靠一个2D层，接着的另一个在所述图案化的表面生长的2D异质光刻构图，虽然这种技术提供空间控制可以达到一百纳米左右，光刻方法依然存在原子缺陷和污染。因此，这些异质结构中的原子结包含电子缺陷态，影响器件性能。最近，报道了用化学气相沉积（CVD）方法在2D材料之间微米尺寸的初始外延界面的生长。理论预言可调谐载流子禁闭，并且在2D材料的异质结构的突变和相干界面处形成一维电子气，其仅仅是几个原子宽。

本文作者巧妙利用位错成功在二维材料上生长出了亚纳米尺度的一维纳米线。

【成果简介】

近日，阿卜杜拉国王科技大学的Lain-Jong Li和康奈尔大学David A. Muller（共同通讯）在Nature Materials上发表了题为“Sub-nanometre channels embedded in two-dimensional materials”的研究论文，文中报道了一种使用位错催化直接合成嵌入WSe₂单层的亚纳米宽一维（1D）二硫化钼通道的方法。合成的一维通道没有失配位错和悬挂键，与嵌入的二维矩阵形成一个连贯的界面。周期性位错阵列在WSe2中产生相干MoS₂ 1D通道的二维超晶格。并使用分子动力学模拟，确定了2D材料的其他组合也可以形成一维通道。

【图文导读】

图1：一维通道的形成

a，由MoS₂-WSe₂横向异质结处的失配位错（标记为“T”）引导的构图工艺的示意图；
b，c，原子分辨率ADF-STEM图像重叠与他们的ε_xx应变图（参照图2详细介绍）确定所述周期性的位错在MoS₂和WSE₂（b）和一维信道的通过化学驱动的迁移创建的接口 （c），应变图是指WSe₂晶格。

图2：一维通道的应变图

a，b，嵌入在WSe₂中的MoS₂ 1D通道的ADF-STEM图像。 通道以5|7错位（b中的白色框）结束。 相同的部分显示在右侧，带有标记的原子；

c，d，单轴应变分量“ ε_xx”（c）和“ε_yy”（d）中一维MoS₂的几何相分析（GPA）。 所有的应变都是参考WSe₂晶格。 ε_xx主要是由于晶格失配而明确区分两个晶格，而ε_yy表示晶格相对于WSe₂失配的1S MoS₂中的高单轴拉伸应变。

e，f，剪应变和旋转图（弧度）分别表示位错的位置和方向。

g，ADF-STEM图像（左）及其由WSe₂中的固有5 | 7位错形成的MoS₂ 1D通道的ε_xx应变图（右），其与来自异质结界面的通道中发现的结果相匹配。

图3：一维通道形成的分子动力学（MD）模拟

a，b，MD对5|7位错（a）的五边形环插入过程和形成下一个5|7位错（b）过程的MD模拟；

c，图案化过程的每个步骤的MD模拟。 5|7错位可以向右（蓝色箭头）移动30°，或向左移动30°（红色箭头）。

d，加入过量的Mo和S原子迭代形成WSe₂中的一维MoS₂通道，揭示了形成一维通道的化学驱动机制。

图4：在晶界处生成超晶格

a，顶部（底部）面板描绘图案化过程之前（之后）的晶界的超晶格形成示意图；

b，由WSe₂晶界的周期性位错和9次旋转（位错间距2nm）生长的超晶格的ADF-STEM图像。 所有的蓝色虚线表示原始弯曲晶界的位置。 位错向不同方向迁移（由绿色箭头表示），从而形成移动的直线晶界；

c，放大的ADF-STEM图像，其中一个相同的位错由“T”标记。 d-g，图中c的GPA，说明位错在迁移过程中保持其周期性和取向。

【小结】

作者提出了一种无错位一维通道合成的策略，且为其他二维材料提供了一套通用的搜索标准：首先，候选材料需要位错源，如低角度晶界或晶格失配的异质界面。其次，虽然位错允许更容易地插入和交换原子，但替代物需要在能量上是有利的。
晶格失配和位移准则允许我们预测一维通道形成的候选系统，并且还提供了通过改变2D主体来设计一维通道中的应变的方法。

文献链接：Sub-nanometre channels embedded in two-dimensional materials. （Nat. Mater., 2017, DOI: 10.1038/NMAT5038）

本文由材料人编辑部纳米学术组Jing供稿，材料牛编辑整理， 点我加入材料人编辑部。

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