近日, 南方科技大学物理系教授林君浩课题组与国内外研究团队合作，围绕新型低维量子材料的可控合成制备与原子级高精度晶格缺陷结构表征，在CVD生长的拓扑半金属单层WTe₂晶界缺陷结构解析、四元化合物AuPdNaS₂纳米带的复杂晶格结构表征以及一系列低维功能性量子材料相变动态过程的高精度原位调控中取得系列研究进展，相关成果分别发表在国际知名期刊Nature Materials, Nature communications, Advanced Materials和Science Bulletin上。

 低维量子材料原子级高精度晶格缺陷结构表征的关键科学问题在于合成过程与表征测量实验是分开的，传统的分离式实验技术往往令样品在转移过程中因敏感而氧化或水解，导致其本征结构无法进行表征与物性测量。林君浩课题组一直致力于解决这个关键难题，通过自主搭建一体化的手套箱互联系统解决了大量低维功能性材料结构不稳定的问题，实现了一系列对空气敏感的二维量子材料的本征原子级结构表征。

图1 形核控制CVD生长的大尺寸单层WTe₂薄膜及其大范围本征连续晶界结构

近日，林君浩课题组再次在该领域取得突破，相关人员在CVD技术生长的大面积单层1T’-WTe₂薄膜中，对其复杂的晶界（Grain boundary, 简写为GB）结构实现了无损高精度结构表征，并系统地研究了其关联的缺陷局域电子态，揭示了可能的新型拓扑晶界边缘态。在这之前，由于存在极度水氧敏感，一直难以实现1T’相单层量子材料中清晰的晶界原子成像。

林君浩课题组系统地研究了用形核控制CVD方法生长的空气敏感单层1T’-WTe₂的本征GB结构及其电子特性。研究人员结合横向力显微镜(LFM)和原子尺度扫描透射电子显微镜(STEM)成像，在双晶畴单层WTe₂中发现了三种主要由各向异性边缘拼接形成的GB结构，它们都由无位错核W-Te菱形组成。密度泛函理论(DFT)计算从能量角度很好地解释了这些GB基元的形成规律。此外，这三种GB结构作为构建各种GB扭结的基本单位，影响了连续单层膜中GB的特定搭配。研究人员还观察到，在多晶WTe₂单层薄片中，晶畴具有三重取向，并通过上述三个GB基本结构单元的不同组合连接，导致产生不同的晶畴形貌。更重要的是，扫描隧道显微镜/光谱(STM/S)证实了沿120°孪晶晶界 (TGB) 存在增强的一维金属态。该研究结果为空气敏感二维量子材料GB结构和物理性质提供了一个全面的模型。相关论文以“Intrinsic Grain Boundary Structure and Enhanced Defect States in Air-Sensitive Polycrystalline 1T’-WTe₂ Monolayer”为题，发表在期刊Advanced Materials上。

南方科技大学物理系博士后郭增龙、松山湖材料实验室副研究员韩梦娇、清华大学深圳国际研究生院博士生曾圣峰、南方科技大学物理系博士生殷周一为论文共同第一作者，清华大学深圳国际研究生院教授刘碧录、邹小龙，南方科技大学物理系赵悦副教授和林君浩教授为论文通讯作者，南科大为论文第一单位。

图2生长于金箔上的四元AuPdNaS₂的原子级STEM精细表征

此外，林君浩教授联合北京大学张艳锋教授、清华大学邹小龙副教授和北京理工大学孙翊淋副教授（共同通讯作者），利用常压化学气相沉积（APCVD）方法，合成出了一种新型低维量子材料，四元过渡贵金属硫族化学物（NTMC）纳米带AuPdNaS₂，并对其电学输运性质进行了深入的研究。然而，该低维结构包括了4种化学元素，晶体结构非常复杂，且在任何材料结构数据库中都没有其原子结构模型的记录。团队通过先进的扫描透射电子显微技术（STEM）确定了AuPdNaS₂的低对称晶体结构（空间群Pmcm），表征出薄层AuPdNaS₂晶体在三个正交投影轴上的原子相投影。利用三个正交投影轴上STEM原子像原子位点衬度与其原子序数及数量成正相关的衬度定量解析技术，结合EDS元素配比的精确定量，从原子层面明确了不同元素在晶体中的定位。同时，通过FFT图像和原子衬度相提取出晶体的最小周期作为样品的晶格参数，通过不断地结合第一性原理结构优化迭代，最终解构出一种全新的四元晶体结构。该结构具有高度的结构各向异性，因此导致其具有非常高的各向异性导电性，并受到门电压的调控。相关结果以“An emerging quaternary semiconductor nanoribbon with gate-tunable anisotropic conductance”为题，发表在Science Bulletin上，南科大为论文第一单位。

图3 电偏置诱导的高度取向纳米线的生长

除了先进的缺陷晶格复杂结构解析技术，林君浩课题组还致力于通过原位器件研究低维量子材料的原子尺度相变机制。过渡金属硫属化合物纳米线（TMC-NWs）具有X₆Y₆化学配比（X=Mo，W；Y=S，Se，Te），是一种无需额外金属沉积即可直接在已有的低维过渡金属硫族化学物（TMDs）材料中转化而来的金属相结构，被认为是改进低维量子器件接触的潜在候选材料。为了实现对这种一维结构的生长取向控制，如图3所示，林君浩课题组展示了利用层状电极石墨作为限域包覆层，并通过石墨电极对包覆的二维二碲化钼（MoTe₂）施加电热刺激，获得了生长取向高度一致的Mo₆Te₆纳米线相变调控方法。基于原位电热MEMS芯片平台，研究人员在施加原位偏置电压的条件下，表征了原子尺度的结构转变动力学过程。此外，利用相似的方法，研究人员在低维场效应二极管器件（FET）中引入了作为横向接触电极的高度取向纳米线，实现了11.5 meV的低肖特基势垒，构造的金属—纳米线界面达到了43.7 Ω µm的极低接触电阻。该工作展示了利用原位技术实现原子级精度相变动态过程的直接观察，并验证了将该技术应用到二维纳米器件中构建高性能电学接触的广阔前景。相关论文以“Constrained patterning of orientated metal chalcogenide nanowires and their growth mechanism”为题，发表在期刊Nature Communications上。南方科技大学-昆士兰大学联合培养博士生杨其朔为该论文的第一作者，林君浩教授课题组博士后朱亮（已出站）为该论文的共同通讯作者，林君浩教授为论文通讯作者，南科大为论文第一单位。

图4 On-device phase engineering的概念示意图

在另一项工作中，林君浩课题组与南京大学的研究团队利用热退火技术激活器件金属电极中的金属原子，并驱动其在器件的沟道材料中扩散，此项工作首次提出了“On-device phase engineering”的概念，实现了在片上原位合成可变化学计量比的多种异质结制备（图4）。基于相同的技术手段，林君浩课题组利用原位电热MEMS芯片平台，在STEM中对该扩散过程进行了进一步研究，高精度表征了器件电极的结构转变以及形成的相界面。利用该相变过程，团队表征了不同相变异质结中展现出的超导电性、可与p型半导体形成超低的接触电阻，以及可比拟传统贵金属催化剂的优异电催化性能。相关论文以“On-device phase engineering”为题，发表在顶级期刊Nature Materials上。

南京大学物理学院博士生刘晓伟（已毕业）、副研究员单俊杰、博士生曹天俊，南方科技大学林君浩课题组博士后朱亮（已出站）、中山大学博士生马佳瑜为该工作的共同第一作者。南京大学物理学院缪峰教授、梁世军副教授、中山大学物理学院罗鑫教授以及林君浩教授为该工作的共同通讯作者。

论文链接：

Advanced Materials：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202402219

Science Bulletin：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S209592732400505X

Nature Communications：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-50525-4.pdf

Nature Materials：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-01888-y

供稿：物理系

通讯员：许馨文

编辑：任奕霏