普林斯頓大學(xué)團(tuán)隊：發(fā)現(xiàn)二維材料表面原子輸運新機(jī)制，開辟二維材料生長及電子器件制備新途徑

研究團(tuán)隊 | 作者

酥魚 | 編輯

北京時間2023年11月27日，普林斯頓大學(xué)Sanfeng Wu教授與Leslie M. Schoop教授團(tuán)隊合作在Nature Synthesis 期刊上發(fā)表了一篇題為“Surface-confined two-dimensional mass transport and crystal growth on monolayer materials”的研究成果。

在二維（2D）晶體上，超薄且均勻的金屬膜可以在容易達(dá)到的溫度下實現(xiàn)快速長距離傳輸。這種效應(yīng)是可以普遍化的，這為探索納米限制空間中的化學(xué)合成以及二維量子材料的器件功能提供了新的可能性，它還為尚未合成的二維材料提供了接入途徑。論文通訊作者是Sanfeng Wu, Leslie M. Schoop 和 Yanyu Jia；第一作者是Yanyu Jia 和Fang Yuan。

在本研究中，他們專注于探索原子級厚度的二維晶體，以單層WTe₂為例，將其放置于金屬（如鈀，Pd）上，并采用氮化硼（hBN）作為惰性介電材料，實現(xiàn)從上下兩側(cè)的全面封裝。在制造流程完成后，他們將樣品在約200℃的環(huán)境下加熱并保持約一小時，全程利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行實時監(jiān)控。在這一過程中，他們意外地觀察到Pd金屬在WTe₂表面上呈現(xiàn)出類似于液體流動的擴(kuò)散模式，直至完全覆蓋了WTe₂層。考慮到Pd的熔點高達(dá)1555℃，這種在相對低溫（200℃）下出現(xiàn)的液態(tài)似擴(kuò)散現(xiàn)象極為罕見。通過利用原子分辨率的掃描透射電子顯微鏡（STEM）進(jìn)行的表征，他們確認(rèn)成功合成了一種新型的二維晶體化合物Pd₇WTe₂，并且該化合物不存在已知的塊體母體。同時，該團(tuán)隊認(rèn)識到，此類質(zhì)量傳輸和二維化學(xué)反應(yīng)并非特定于某些系統(tǒng)。例如，他們發(fā)現(xiàn)在WTe₂上的鎳（Ni）以及在TaTe₂和MoTe₂上的Pd同樣展示了這一類似的特性。

這一研究的成果為我們提供了一種新的途徑，用于探索在單層晶體模板上有限二維空間內(nèi)的受控化學(xué)反應(yīng)。此外，它還為我們提供了一種無需密閉實驗室條件即可合成超出現(xiàn)有范德瓦爾斯材料庫的二維材料的方法。無論是在二維化學(xué)研究還是二維器件制造方面，我們都預(yù)見了廣闊的未來探索空間。

圖1：Long-distance anomalous mass transport of Pd atoms on monolayer WTe₂.

圖2：Nanoconfined crystal growth on monolayer WTe₂.

圖3：In-plane lattice structure of Pd₇WTe₂.

圖4：Generalization of the unusual mass transport.