北京大学张艳锋ACS Nano：各向异性ReSe2的原子结构识别、畴区边界的拼接行为及电子结构演化的研究

ReSe₂属于Ⅶ族过渡金属硫族化合物（TMDCs）家族的重要成员，具有扭曲的1T相结构（1T'相），其晶格结构具有面内各向异性，使ReSe₂在光学和电学性质上也体现出明显的面内各向异性特征，在场效应晶体管、数字集成电路以及光电探测器等方面具有巨大的应用前景。对单层和少层材料的结构和性质及其与特定功能型衬底界面相互作用的研究是推动其应用的关键前提，然而目前对单层/少层ReSe₂晶格结构和能带结构的认识还局限于透射电子显微镜（TEM）和角分辨光电子能谱（ARPES）的非原位表征分析结果，原子尺度的结构、缺陷类型以及局域电子结构之间的关联尚未建立。

近日，北京大学的张艳锋研究员（点击查看介绍）与大连理工大学的赵纪军教授（点击查看介绍）（共同通讯）等研究人员结合高分辨扫描隧道显微镜/谱（STM/STS）和密度泛函理论（DFT）计算，对金箔上化学气相沉积法（CVD）制备的单/双层ReSe₂的原子结构和电子结构进行了深入系统的研究。他们首次利用高分辨STM成像技术并结合DFT计算，对各向异性的单层ReSe₂表层的四类不等价Se原子进行了在位识别，总结了其形貌随扫描偏压的变化规律，并发现其受局域电子态密度变化的调制。此外，他们结合STS和光致发光（PL）谱，对单层ReSe₂的准粒子带隙和激子结合能进行了精确测定。更重要的是，他们发现CVD制备的ReSe₂样品中存在大量的镜像对称型（mirror-symmetric）畴区边界，畴区边界处晶格拼接完美，且其电子带隙和畴区内部相同，与传统的各向同性TMDCs材料（如MoS₂）具有显著的区别。该工作对于理解二维各向异性材料的基本物理性质具有重要意义。相关研究成果发表在ACS Nano上，文章的第一作者为北京大学的博士生洪敏、周协波以及大连理工大学的博士生高楠，通讯作者为北京大学的张艳锋研究员和大连理工大学的赵纪军教授。

图1. ReSe₂各向异性的晶格结构。（a）ReSe₂的晶格结构示意图；（b）Au箔上ReSe₂平行四边形畴区的SEM成像；（c）高分辨STEM成像显示单层ReSe₂各向异性的晶格结构；（d）Au箔上单层ReSe₂的大尺度STM成像；（e-f）不同偏压下原子尺度的STM成像显示ReSe₂的亚元胞级结构。

图2. Au箔上单层ReSe₂偏压依赖的STM成像及理论模拟结果。（a）ReSe₂的一个元胞中4个不等价Se原子的4p_x和4p_y轨道的局域电子态密度（LDOS）的计算结果；（b-e）Au箔上单层ReSe₂在不同偏压下的STM形貌图；（b'-e'）不同偏压下的STM模拟成像；（f）在（e）图中沿A-B-C三个方向的表面高度分析图；（g）与（e）图对应ReSe₂的结构示意图。

图3. 电子结构分析证明单/双层ReSe₂与Au箔和石墨基底具有不同的界面相互作用。（a-b）Au箔上单/双层ReSe₂的STM成像和STS谱；（c-d）转移到石墨基底上单层ReSe₂的STM成像和STS谱；（e）室温及低温（78 K）下测得的PL谱；（f）ReSe₂的光学带隙、电子带隙及激子结合能的示意图。

图4. Au箔上单层ReSe₂中镜像对称型畴区边界的原子结构及电子结构分析。（a-b）Au箔上单层ReSe₂中镜像对称型畴区边界的STM成像；（c）在（b）图中标记位置所作的STS谱；（d-e）该畴区边界的结构及带隙的理论模拟结果。

图5. Au箔上双层ReSe₂中镜像对称型畴区边界的原子结构及带隙特征研究。（a-b）Au箔上双层ReSe₂中镜像对称型畴区边界的STM成像；（c-d）分别沿垂直和平行于畴区边界方向（（b）图中标记位置）所作的STS谱；（e-f）不同偏压下畴区边界处dI/dV mapping的结果。

该工作利用在位STM/STS的表征手段并结合第一性原理计算，首次对金箔衬底上单个ReSe₂元胞内的四个不等价Se原子进行了全方位的识别，并建立了一种全新的判断这种各向异性材料晶格取向的方法，同时揭示了单/双层ReSe₂的准粒子带隙及其与不同基底(金、石墨)之间的界面相互作用。此外，研究人员还发现CVD制备的ReSe₂倾向于形成镜像对称型畴区边界，这些畴区边界可以实现原子尺度的完美拼接，且其附近的电子带隙和畴区内部完全一致，表明这种类型的畴区边界对材料的电学特性几乎没有影响。这项研究结果对深入理解二维各向异性ReSe₂材料的晶体结构、缺陷类型以及电子结构等具有非常重要的意义。对于该类材料在电子器件、光电器件等领域的实际应用提供了基本的实验和理论依据，为相关二维层状材料的可控制备、在位高分辨结构和电子态的分析提供了研究范例。

该论文作者为：Min Hong, Xiebo Zhou, Nan Gao, Shaolong Jiang, Chunyu Xie, Liyun Zhao, Yan Gao, Zhepeng Zhang, Pengfei Yang, Yuping Shi, Qing Zhang, Zhongfan Liu, Jijun Zhao and Yanfeng Zhang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Identifying the Non-Identical Outermost Selenium Atoms and Invariable Band Gaps across the Grain Boundary of Anisotropic Rhenium Diselenide

ACS Nano, 2018, 12, 10095, DOI: 10.1021/acsnano.8b04872

导师介绍

张艳锋

http://www.x-mol.com/university/faculty/18964

赵纪军

http://www.x-mol.com/university/faculty/40465