非单晶衬底制备大尺寸二维单晶材料
二维材料是一种集成电子学、光电子学和自旋电子学的理想材料。近年来，在某些具有适当表面织构的单晶金属衬底已经实现了大尺寸单晶石墨烯、六方氮化硼(hBN)和其他二维(2D)材料的外延生长。尽管单晶衬底(如具有不同表面指数的铜箔)的合成取得了重大进展，但单晶衬底的制备仍然普遍昂贵且难以大批量制备。同时，热力学稳定的孪晶界在面心立方(FCC)金属的退火过程中很容易产生，尤其在中低层错能金属中。如在Cu箔退火过程中通常会形成高度稳定的孪晶界，这些孪晶界的存在使得制备高质量的Cu单晶具有挑战性。
近日，我校材料科学与工程学院黄晓旭教授团队联合中国科学院重庆绿色与智能技术研究所史浩飞研究员团队创新性的在具有孪晶界的非单晶衬底制备得到了大尺寸二维单晶材料，这一发现不仅大大降低了大尺寸、高质量二维单晶材料的制备难度，同时也扩展了对材料外延生长的基本理解。相关研究成果以题“Single-crystal two-dimensional material epitaxy on tailored non-single-crystal substrates”发表在国际知名期刊Nature Communications, (2022) 13:1773. 郭晶为参与作者，黄晓旭为共同通讯作者。
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https://doi.org/10.1038/s41467-022-29451-w
在此，作者首先通过理论计算建立不同的几何原理来描述3次对称(hBN）和6次对称(graphene)的二维材料在各种孪晶表面上的排列情况，发现许多孪晶界两侧生长的二维材料岛屿之间都可以很好地对齐排列，表明在原则上可以使用各种孪生衬底来生长二维单晶材料。为验证这一预测，作者通过弯曲退火中心有硬度压痕的铜箔成功地制备了具有丰富孪晶界、英寸大小的铜箔，并在其中一些特定孪晶铜箔的表面上得到了在孪晶界两侧对齐生长的二维材料岛，而这些岛屿之间可以无缝拼接成功得到了英寸大小的单晶石墨烯和单晶六方氮化硼薄膜。经过测试得到的单晶石墨烯电子和空穴的平均迁移率在室温下可以达到2.2 × 104 cm2V−1s−1和2.8 × 104 cm2V−1s−1。
综上，作者在理论上和实验上均证实了二维材料在特定的孪晶衬底上可以跨过孪晶界外延生长并无缝拼接，为单晶二维材料生长开辟了一条快速、稳定可量产的途径。
图1二维材料在孪晶铜衬底上的排列。a 原子配置的一个60 °<111>孪晶结构Cu箔中的自由度由两个参数 (θ, ψ)定义。其中θ为铜箔表面与孪晶界的夹角，ψ为孪晶界平面内的旋转角度。b 3次对称的二维材料生长在FCC金属衬底孪晶两侧的失配角与定义孪晶表面面指数的(θ, ψ)函数之间的理论映射。色带条表示生长在孪晶表面两侧的二维材料之间的失配角的大小，蓝色表示完美对齐。c 6次对称二维材料(如石墨烯)在 FCC孪晶两侧生长的失配角与(θ， ψ)函数的理论映射。d在孪晶Cu衬底上进行hBN外延的示意图，hBN岛的排列方向用虚线表示。e石墨烯在孪晶Cu衬底上外延的示意图，石墨烯岛的排列方向用虚线表示。可以清楚地看到，无论是3次对称还是6次对称的二维材料在大量的FCC孪晶表面上都可以实现的对齐排列，因此，原则上是可以使用各种孪生衬底来生长二维单晶材料。
图2定制铜箔配置。a-c不同退火实验装置照片。d-f (a-c)装置中退火后的铜箔在空气中氧化后的光学图像。g-i (d-f)样品对应的EBSD表征图像，比例尺为500 μm。A平面退火铜箔。EBSD结果表明，冷轧铜箔已经完全再结晶，形成了晶粒尺寸较细(平均晶粒尺寸~300 μm)的多晶结构和强立方织构{001}<100>；还可以看到小部分孪生晶粒(蓝色斑点)。b弯曲退火中间有微硬度压痕铜箔。在再结晶过程中，引入压痕是一种来控制的形核和生长的有效方法，这一技术在以前的再结晶和生长研究中已经有所使用。EBSD结果表面得到了英寸级的(116)/(111)孪晶结构。c 45°旋转弯曲退火中心有微硬度压痕铜箔，。EBSD结果表明得到了英寸级(6 5 5)/(10 2 1)孪晶结构。(b)和(c)中的插图是压痕的扫描电镜(SEM)图像。j-l分别给出了一个典型Cu孪晶的低放大TEM、高分辨率TEM和SAED图像，表明了共格孪晶的性质。
图3不同孪晶铜表面hBN和石墨烯岛的排列。实验观察到的在孪晶Cu表面上生长的二维材料排列的SEM图像(左图)，并与理论预测结果(右图)进行了对比。a-c是生长在孪晶Cu表面的hBN岛，其中(a)和(b)所示的hBN岛均平行排列，(c)所示的hBN岛呈反平行排列。d不同衬底上生长的hBN失配角的理论预测和实验统计(误差棒为原始数据的标准差)。e-g是生长在孪晶Cu面上的石墨烯岛，其中(e)和(f)呈现平行排列的石墨烯岛，而(g)中在孪晶界两侧石墨烯岛排列不平行。在对应的理论图中标出了二维材料岛与孪晶界的夹角。孪晶表面指数显示在每张图下。所有图中的比例尺均为10 μm。h石墨烯在不同衬底上生长的失配角的理论预测和实验统计。
图4单晶hBN和石墨烯薄膜的表征。a合并的两个对齐的hBN岛的SEM图像；然后将样品转移到TEM铜网上。b-i合并区域周围对应的STEM-ADF图像。c在b标记位置测量的强度。d 合并区域周围不同位置的SAED测量。e 生长得到的单晶石墨烯薄膜的STM图像。f 在孪晶铜箔上生长的单晶石墨烯的LEEM和选择区域μLEED测试(标尺3 μm)。g 单晶石墨烯薄膜转移到4英寸SiO2/Si晶圆上。h 不同通道尺寸的单晶石墨烯场效应晶体管中空穴和电子的载流子迁移率。(沟道宽度10 μm，长度50-2000 μm，误差棒是原始数据的标准差)。
写稿人：郭晶
