王金兰教授、马亮教授团队与合作者在扭角双层石墨烯可控生长机制方面取得重要进展

taipingyang

近日，东南大学物理学院王金兰教授、马亮教授团队与化学化工学院孙岳明教授团队合作，基于材料多尺度模拟方法，在扭角石墨烯可控生长机制研究方面取得了重要进展，成果以“双取向台阶引导扭角双层石墨烯的角度可控外延”为题在线发表于材料领域著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。

图1.双层石墨烯在a平整和b台阶衬底上成核外延的示意图

         层间扭转角偏离常规堆叠顺序的扭角双层石墨烯具有丰富的多体相互作用和强关联电子特性，展现出了超导、拓扑等奇异物态，在凝聚态物理和量子材料领域得到了极大关注。例如，以“魔角石墨烯”著称的层间扭转角(θ)约为1.1°的扭角双层石墨烯表现出非常规的超导特性，并在费米能级附近出现扁平的能带结构。而对于大扭转角（5°<θ<30°）的扭角双层石墨烯，其层间耦合效应会导致能带结构中出现范霍夫奇点，从而可以显著提升光吸收性能和光电流密度。然而，由于双层石墨烯的AB型常规堆叠(θ= 0°)能量最低(图1a，c)，扭角双层石墨烯的扭角可控外延生长在热力学上极具挑战性。
         针对这一挑战，王金兰教授、马亮教授团队基于材料多尺度模拟方法，提出了利用衬底双取向原子台阶引导扭角双层石墨烯成核与外延生长的理论机制。由于石墨烯锯齿型(ZZ)边界和衬底台阶之间存在很强的共价键，双取向台阶可大大降低与台阶夹角匹配的扭角双层石墨烯的自由能，从而实现扭角双层石墨烯与常规堆叠双层石墨烯的能量反转(图1b，d)，引导扭角双层石墨烯优先成核。更为重要的是，在该机制中可以通过改变衬底双取向台阶的夹角来精准控制扭角双层石墨烯成核的层间扭角。此外，团队还通过探索面心立方(FCC)和体心立方(BCC)金属不同晶面上所有可能的台阶组合，筛选出了28组夹角为1.5°~30°的双取向台阶用于引导扭角双层石墨烯的成核与外延生长。该机制也可以合理地拓展到其他扭角双层二维材料的扭角可控外延生长。
        该论文的第一作者为东南大学博士生董瑞康，通讯作者为东南大学物理学院马亮教授，王金兰教授以及化学化工学院孙岳明教授。该工作受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点/优青项目和江苏省“双创人才”等项目的资助。
        论文链接为：https://doi.org/10.1002/adfm.202310346
        文章来源：东南大学
       王金兰，教授、博士生导师、国家杰出青年获得者、国务院政府特殊津贴专家。2002年获得南京大学博士学位，随后在美国Argonne国家实验室化学部从事博士后研究。2005年底由东南大学引进，2015年获国家杰出青年基金。长期从事新材料的多尺度模拟与理论设计工作，先后承担多项国家自然科学基金与国家重点研发计划项目，在二维材料的生长与物性调控、机器学习预测新材料等方面取得了重要进展。发表SCI论文近200篇，影响因子10以上论文30余篇、其中Science 1篇、Nat. Commun. 7篇、J. Am. Chem. Soc. 7篇、Angew. Chem. Int. Ed. 5篇、Adv. Mater/Nano Lett 10篇。引用超过7000次，连续五年入选“Elsevier中国高被引学者名单（2014-2018）”。
         马亮，教授，博导。国家优秀青年基金获得者(2022)，江苏省“双创人才”(2021)，江苏省“双创团队”研究骨干(2020)。2009年本科毕业于东南大学物理系，2015年博士毕业于东南大学物理系凝聚态物理专业，2015年至2018年在美国内布拉斯加大学林肯分校做博士后研究，2018年11月加入东南大学物理学院。主持多项国家级和省级科研项目，主要从事二维材料生长机理与物性调控的多尺度模拟研究，在二维材料的可控生长/蚀刻机制及物性调控与设计方面取得了系统的原创性研究成果。已发表SCI学术论文50余篇(20余篇IF >10)，其中以第一/共一/(共同)通讯作者身份在Nature, Nat. Nanotechnol., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett.等国际权威期刊发表论文20余篇，2篇入选ESI高被引，论文引用2000余次，H指数24。