南航张助华/郭万林团队与NTU刘政团队Nano Lett.：破解二维过渡金属硫属化物晶界的表情包

晶界是晶体材料中常见的结构缺陷，其微观结构决定着晶体材料的力学、电学和磁学性质。例如，优化晶界结构可以有效提高单质和合金金属的屈服强度；优化晶粒大小至纳米量级可以持续提高强共价键晶体的表面硬度。晶界同样普遍存在于二维原子晶体材料中。在化学生长过程中，二维材料在基底上不同位置成核且晶向分布具有随机性，当晶粒长大再相互交汇便形成了大量的晶界。由于维度降低，二维材料中的晶界表现为一维的线缺陷，它会导致晶格序产生突变，因此对二维材料性能的影响更加显著。二维材料中的晶界结构通常是由一系列位错核组成，如石墨烯中的晶界是由5|7位错串联构成。

不同于单原子层的石墨烯，二维过渡金属硫属化物由两层硫族原子夹杂着一层过渡金属原子构成。原子与原子之间形成相互连接的四面体结构，这使得晶界结构更加复杂和多样化。一直以来，大量实验发现二维过渡金属硫属化物中的晶界呈现为一系列交替折叠分段的折线状结构，即所谓的折线晶界。然而，由于缺乏理论分析和多尺度的表征手段，人们对这类折线晶界结构的成因和组成及其结构-性能关系一直缺乏深入的认识。

近日，南京航空航天大学的张助华（点击查看介绍）、郭万林教授（点击查看介绍）团队同南洋理工大学刘政教授（点击查看介绍）团队开展合作，利用第一性原理计算，以及大尺度的应变成像技术和原子分辨的扫描透射电镜，对过渡金属硫属化物中的折线晶界结构进行了系统的解析。与一般的晶界由一种位错核组成不同，他们发现折线晶界由两种基本的位错单元—4|8和4|4|8组成，二者可按照不同的比例组合，形成不同折角和微结构的晶界。研究显示这种折线状结构比一般的直线结构的晶界明显更稳定。更为有趣的是，晶界中的非六边形缺陷可以沿着晶界方向进行滑动，整个过程仅需借助一个钼原子的迁移，进而导致形成更为丰富的“表情包”。进一步的研究结果表明，折线晶界在磁性和催化方面具有一定的应用潜力，且不同的晶界“表情包”会导致材料出现不同的功能性。值得一提的是，本文的理论计算结果与实验表征在晶界结构和性能等多个方面均达到很好的一致性。

折线晶界的结构示意图

该研究成果解析了二维过渡金属硫属化物折线晶界的“表情包”，同时在石墨烯晶界的单一结构相与体相金属的多重晶界相之间架起了一座桥梁，为认识晶界更为普遍的规律打下了基础。成果发表于Nano Letters，共同第一作者为于茂林博士和朱超博士，通讯作者为张助华教授、郭万林院士和刘政教授，共同作者还包括何勇民博士、周家东博士以及许莹博士。

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）：

Polymorphism of Segmented Grain Boundaries in Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides

Maolin Yu, Chao Zhu, Yongmin He, Jiadong Zhou, Ying Xu, Zheng Liu, Wanlin Guo, and Zhuhua Zhang

Nano Lett., 2021, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01156

导师介绍

张助华

https://www.x-mol.com/university/faculty/48489 

郭万林

https://www.x-mol.com/university/faculty/37831 

刘政

https://www.x-mol.com/university/faculty/69020