崔屹最新Science：扭曲外延机制探索

外延是材料科学中的一个重要现象，指在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，原有的晶片称为衬底，生长的薄层称为外延层，整个晶体材料称为外延片。它描述了一种晶体材料以有序方式在具有精确晶体学衬底上生长的情况。外延已被用于许多材料的合成和制造，包括平面半导体异质结构、线性和核壳纳米晶体和纳米线，应用包括晶体管、发光二极管、激光器和量子器件。近年来二维范德华(vdW)材料的发展已经将外延的范围扩展到vdW外延、远程外延和受限外延。到目前为止，研究主要是基于将一个晶体外延生长到一个衬底上或衬底内的框架。

今日，美国斯坦福大学崔屹（Yi Cui）、Harold Y. Hwang和Robert Sinclair研究团队在Science上发文，探索了两个扭曲衬底之间的外延机制，将外延的概念扩展到“扭曲外延”的状态，证明了两个衬底之间的外延层晶体取向受到其相对取向的影响。作者在两个剥离的六方二硫化钼(MoS₂)衬底之间进行了纳米厚度金(Au)纳米颗粒的退火，通过在一个MoS₂衬底上生长金（Au）纳米颗粒层，然后用第二层MoS₂薄膜覆盖Au纳米颗粒。Au和硫（S）原子之间的化学相互作用比传统的vdW相互作用强得多，但比共价键弱。这种结构不仅可以稳定2D Au，还可以调整其方向。先前对单晶MoS₂的研究表明，面心立方（fcc）紧密排列的Au平面（{111}）与六方MoS₂平面（{001}）之间存在外延关系。两个MoS₂层都可以对Au施加取向效应，其基面取向不同，相互扭转角在0°~60°。透射电镜研究表明，当双分子层的扭转角较小（<~7°）时，Au位于顶部和底部MoS₂之间。对于较大的扭转角，Au只有取向偏差很小，底部MoS₂与双层MoS₂的扭转角近似呈正弦变化。此外，采用四维扫描透射电子显微镜分析进一步揭示了与扭曲外延相关的金纳米盘的周期性应变变化（<|±0.5%|），与两个MoS2扭曲层的Moiré一致。

图1扭曲外延金纳米片

图2金纳米片的合成、排列和厚度

图3金纳米片与二硫化钼旋转角的关系

图4 DFT计算

图5 4D-STEM应变分析

相关研究成果以“Twisted epitaxy of gold nanodisks grown between twisted substrate layers of molybdenum disulfide”为题发表在国际著名期刊Science上。

该项研究的核心创新点在于探索了两个扭曲衬底之间的外延机制，即“扭曲外延”。两个衬底都与生长的晶体外延层相互作用并影响其晶体学，这种方法允许将两个衬底的相对取向用作结构控制参数。

Au和MoS₂的扭曲外延结构的发现为利用先进的电子显微镜研究二维材料的结构功能提供了可能性。透射电镜Moiré条纹图像是参与晶体原子匹配和不匹配的代表。这种周期性与两种材料的原子匹配直接相关，原子匹配的变化(如本文所示)可能会影响复合材料的物理性质，如Au和MoS₂的能带结构、电子和光学性质等。此外，扭曲外延意味着可以使用堆叠双层二维材料的范德华间距作为纳米纳米反应器来限制材料的生长并调节晶体形态、取向和晶格应变，这表明双层取向可以作为一个额外的参数来控制被封装原子结构和性能。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5947