分子原子学說 二维与准二维材料的可控掺杂以及边界构型识别研究取得重要进展(2)

与石墨烯纳米带电子结构的研究相比，其他类石墨烯的低维材料边界也一直以来都吸引着研究人员的极大兴趣。然而，截止到目前，关于单层过渡金属二硫属化合物(TMDCs)边界结构的原子级精确探测及其电子结构表征的研究鲜有报道，主要难点在于具有高质量边界样品的制备及具有原子级精准边界的电子态的探测和辨别。高鸿钧课题组的博士生卢建臣、包德亮、杜世萱研究员和中国科学院大学的林晓教授等利用超高真空低温扫描隧道显微镜-分子束沉积-低能电子衍射(UHV-LT-STM-MBE-LEED)联合系统，结合密度泛函理论计算(DFT)，对在Au(111)单晶表面外延生长的单层MoSe2岛的两种边界构型及其电子结构展开了系统深入的研究。他们利用分子束外延的生长方法，将Se原子和Mo原子先后沉积到Au(111)表面上，成功地制备出了高质量单层的MoSe2岛。高分辨STM图像和LEED衍射图样显示单层MoSe2岛的取向平行于基底Au(111)的晶向，Raman和XPS的结果表明生长的MoSe2是单层的、高质量的MoSe2。MoSe2岛不同边界的扫描隧道显微谱（STS）显示，MoSe2岛有两种不同的边界态，对应两种不同的边界结构。DFT对具有不同边界结构的纳米带的计算表明，实验上观察到的两种边界分别对应于单个Se原子饱和的Mo边和Se边。虽然末端都是Se原子，但是由于次近邻元素的连接方式不同，导致实验上看到了两种边界电子结构。分子原子学說相关研究工作发表在ACS Nano 11, 1689-1695 (2017)上。

三项研究工作得到了国家自然科学基金委（61390501, 51210003和 51325204），科技部（2016YFA0202300），国家基础研究计划（2013CBA01600），中国科学院等的资助。

相关工作链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-017-1550-2

图1 氮杂富勒烯分子在Ru(0001)表面退火前后STM图。(a) 0.01 ML氮杂富勒烯（Scale bar: 40 nm）。(b) 退火至900 ℃后形成的石墨烯岛（Scale bar: 40 nm）。(c) 满层石墨烯（Scale bar: 20 nm）。(d) 满层石墨烯的摩尔斑点以及氮掺杂引入的缺陷（Scale bar: 3 nm）。

图2 Ru上氮掺杂石墨烯STM图。(a)，(b) 不同偏压下的氮掺杂石墨烯。浅蓝色虚线框标记同一个摩尔斑点。(c)，(d) (a)和(b)中浅蓝色虚线框中样品的高分辨图。绿色和深蓝色虚线框标记的分别是氮掺杂引入的没有空位和有空位的缺陷。

图3 Ru(0001)表面上不同氮掺杂浓度的石墨烯。分子原子学說(a-c)三种不同氮掺杂浓度的石墨烯的STM图：(a) 8.1 × 104 μm-2；(b) 1.7× 105 μm-2；(c) 2.6× 105 μm-2, scale bar均为6 nm。(d) 氮掺杂缺陷浓度随退火次数变化的趋势。(e) 氮掺杂缺陷数量随表面面积的变化。(f) (e)中样品的氮掺杂缺陷数量的百分标准误差。(g)和(h)两种不同生长条件下得到的相同氮掺杂缺陷浓度的分布均匀性的对比，分别对应氮掺杂缺陷的数量和百分标准误差随表面面积变化的变化。

图4 前驱体分子、脱溴以及脱氢环化后形成同素异形体的结构示意图。(a) 四个N原子掺杂的oligophenylene分子。(b) 含有两个噻吩基团的oligophenylene分子的三个同素异形体以及该分子初步脱溴以及进一步脱氢环化后形成的分子结构。