近日，南方科技大學物理系副教授林君浩課題組在水氧敏感二維材料的大範圍無損晶格表徵領域取得突破，並在學術期刊Advanced Science上發表了題為“Direct Visualization of Large-Scale Intrinsic Atomic LatticeStructure and Its Collective Anisotropy in Air-Sensitive Monolayer 1T’-WTe2”的研究論文。
據研究表明，二維材料表現出與常規三維塊狀晶體截然不同的優異物理化學特性。其中，表面形貌和晶格缺陷等結構特徵極大地影響了材料的外在物性。然而，在單分子層厚度的影響下，大多數二維材料對空氣中的氧氣、水分子等非常敏感，極易氧化變質導致結構瓦解。因此，保持敏感二維材料原子尺度的結構完整性和表面潔淨度一直是研究其微觀結構的一個亟需解決的難題。
為克服這一難題，課題組自主搭建了一套特色的手套箱互聯絡統，從低維敏感樣品的生長、轉移、高分辨電鏡表徵到器件製造，該系統為整個實驗過程提供了惰性氛圍保護，保證了水氧敏感低維樣品的晶格完整度和表面潔淨度。基於此係統及真空轉移的球差矯正高分辨透射電子顯微技術，課題組首次實現了敏感1T’-WTe2單層材料的高質量大範圍無損晶格原子成像（圖1）。
圖1. 敏感單層1T’-WTe2的光鏡圖和大範圍原子級STEM圖
課題組對單分子層1T’-WTe2大範圍原子像進行分析後，發現晶格傾向於沿著某一晶面方向發生集體畸變的現象。連續的晶格畸變一般是二維材料特有的表面起伏波紋所導致的，而單層1T’-WTe2表面波紋的連續延展結構可以由W-Te原子組成的四邊形單元畸變程度反映出來。因此，透過對大範圍晶格原子像中W-Te四邊形單元的畸變程度分佈進行機器識別，可以發現其在原子尺度下描繪波紋結構的起伏趨勢和傳播方向（圖2）。研究人員發現，在一個連續的單層區域中，起伏結構只能向垂直於(100)、(110)或(1-10)的晶面方向傳播，並呈現出巨大的結構各向異性，這與報道過的常規二維材料如石墨烯、二硫化鉬單層的各向同性表面波紋完全不同。
圖2. W-Te畸變四邊形單元分佈圖
此外，為了進一步驗證單層WTe2表面波紋的各向異性，研究團隊設計了雙軸傾轉的TEM衍射點展寬實驗（圖3），從而根據倒空間中瓦爾茲球和倒易錐相切的位置，即衍射斑點的展寬來探測實空間結構起伏情況。實驗中，研究團隊採用雙傾杆實現兩個軸向的轉動，可以探測整個實空間中各個方向結構起伏的情況。當軸向沿α角和β角轉動時，對應軸側方向的衍射點展寬情況不一致，無展寬衍射點(3-30)、(3-60)對應晶面的晶格常數基本保持恆定，而展寬明顯的(330)、(360)晶面晶格常數變化劇烈，這說明該二維WTe2表面波紋呈現強烈的各向異性結構。研究團隊分析得到單層WTe2表面波紋平均起伏高度約為2.5nm。
圖3. 雙軸傾轉TEM衍射點展寬實驗
大範圍無損晶格原子成像的研究成果也引發了課題組人員對WTe2本徵缺陷領域的進一步探索。WTe2單層表面各向異性起伏結構會影響Te空穴的分佈規律。據四種在原胞上不同位置的Te空穴數量及其所在的波紋位置顯示，Te原子更傾向於從波紋狀結構的收縮側逃逸，這表現出其缺陷分佈的固有各向異性（圖4）。該現象能從第一性原理結構最低能量的角度解釋，在收縮量相同的情況下，相比於平面內鍵長的縮短，形成隆起或凹陷起伏結構的Te空穴形成能較低，並且位於彎曲波紋內側收縮結構中的Te空穴有著更低的形成能，這是由於在這些區域內原子平均間距更小，畸變曲率更大，更容易積聚Te空位所造成的。此次科研成果加深了研究人員對敏感二維材料本徵晶格與缺陷結構在原子層面上的認識，有利於他們對新興敏感二維材料的原子尺度結構和性質關係的繼續研究，也為敏感二維材料缺陷工程的研究奠定了堅實的基礎。
圖4. 單層WTe2中Te空位分佈規律
該研究由林君浩課題組與北京大學深圳研究生院教授潘鋒課題組共同合作完成，南科大物理系2021級博士生牛康迪為論文第一作者，並承擔大部分電鏡表徵和分析工作。潘鋒和林君浩為該論文共同通訊作者，南科大是論文第一單位。該工作獲得國家自然科學基金、廣東省廣創計劃、深圳市孔雀計劃與高校穩定支援重點專案的資助，同時也得到南科大皮米中心的大力支援。
論文連結：
http://doi.org/10.1002/advs.202101563
