南航张助华/郭万林团队JMPS：揭示二维材料曲面生长规律

如何理解并控制二维材料的生长一直是二维材料领域广受关注的科学问题。以往关于二维材料生长的研究主要集中于平面情况，但其实曲面生长更为普遍。例如，生长石墨烯泡沫的立体模板，基板上刻蚀的孔洞以及具有天然粗糙度的基底等都涉及到曲面生长过程。在这些情况下，二维材料的生长会受到曲面的约束，产生显著的应力，并通过与生长前端的原子组装相互作用而影响材料的生长形貌和晶格质量。因此，研究二维材料曲面生长涉及的力学行为与形貌演化规律对发展二维材料的基本制备科学以及推进相关技术应用均有重要的意义。

然而，目前关于曲面生长的前沿进展主要对象为胶体晶体，而二维材料的相关研究几乎没有报道。胶体晶体与二维材料在化学键和力学性质等方面均具有较大的差距，特别是胶体晶体不具备发生离面变形和形成稳定叠层的能力。因此，胶体晶体相关进展基本上不能被借鉴用于研究二维材料的曲面生长。此外，模拟二维材料曲面生长涉及到晶格应变、离面位移、低的对称性等新的特征，使得相关理论与计算研究缺乏现成可行的计算方法。

鉴于此，南京航空航天大学张助华（点击查看介绍）团队基于Metropolis算法的蒙特卡罗方法发展了一种可以模拟二维材料在任意曲面生长的计算方法，且通过并行计算技术可以处理包含上万原子的计算体系。他们以石墨烯/铜基底这样最普遍的体系为例，发现基底上尺寸仅为几纳米的圆锥形突起就能导致石墨烯产生形态丰富的晶格缺陷，比如点缺陷、短程晶界和长程晶界等 (图1)。他们进一步基于曲面几何参数与缺陷形态的关系建立了一幅缺陷“相图”，并分析了不同缺陷“相”的产生条件和机理。他们的分析发现圆锥所引起的石墨烯面内应力是缺陷形成的核心因素。该工作通过分析测地曲率、圆锥几何、面内应力以及其它几何因素对生长的影响，成功确定了长程晶界的产生条件，并与大量的模拟结果一致。他们的分析还发现三重对称的二维材料 (如二硫化钼、氮化硼) 比六重对称的石墨烯更容易在曲面上形成长程的晶界，且与已有的实验结果吻合。

图1. (a) 石墨烯在具有圆锥形突起的基底上的生长示意图，以及(b-f)几种典型的缺陷形貌：完美晶格、点缺陷、单晶界、晶界疤、长程晶界(由左至右)。

该项研究成果不仅为二维材料的高质量生长打下了理论基础，而且开辟了一条在二维材料中定制功能性缺陷的新途径。该成果发表在固体力学顶刊J. Mech. Phys. Solids上，第一作者为胡知力博士，通讯作者为张助华教授，共同作者还包括张培琨博士生、郭万林院士与美国莱斯大学Boris Yakobson教授。

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）：

Stress-Dominated Growth of Two-Dimensional Materials on Nonplanar Substrates

Zhili Hu, Peikun Zhang, Wanlin Guo, Zhuhua Zhang, Boris I. Yakobson

J. Mech. Phys. Solids, 2021, DOI: 10.1016/j.jmps.2021.104645

导师介绍

张助华

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