背景介紹
量子資料,包含拓撲資料、超導材料、二維資料等,是現時科學界認為最有希望實現下一代顛覆性科技變革的新型資料。其中,由於二維資料與當代矽基晶片加工工藝相容而有望實現規模化應用,成為跨學科前沿交叉研究領域的熱點資料體系。二維資料具有原子層結構特點,其電子態和聲子態都分佈在表面。囙此二維資料與其它物質的表面相互作用可以顯著地改變其物理性質並有可能實現生長動力學調控。
2016年,劉開輝研究團隊與合作者首次報導了利用局域氧元素降低石墨烯生長動力學勢壘(~1eV),將石墨烯生長速度提高了2-3個數量級,達到60μm/s,創造了石墨烯生長速率的世界紀錄(Nature Nanotechnology 2016,11,930)。通過進一步設計和利用這種表面調控作用,近期研究團隊將元素週期表中電負性最强、反應活性極高的氟元素引入二維資料生長體系。與氧元素調控機制不同,氟元素不僅能够將石墨烯的生長動力學勢壘降低,而且還有效地將石墨烯生長過程從吸熱反應轉變為放熱反應,使石墨烯生長速率達到了全新紀錄(~200μm/s)。同時,該方法對於其他類型的二維資料,例如電晶體過渡金屬硫族化合物、絕緣體六方氮化硼生長同樣具備顯著促進作用,使其生長速率提高了1-2個數量級。
在反應過程中局部引入高反應活性元素的設計方案將為量子資料控制合成提供新思路,例如快速生長、低溫生長、原位摻雜等。事實上,除氟化物以外,還存在非常豐富的其他類型襯底,例如硫化物、硒化物、氯化物和溴化物,它們都有可能對二維資料的生長動力學和物性實現有效調控。這些襯底組成元素可以在較寬的溫度範圍(50-1400℃)下釋放,且反應活性各异。囙此,這種局域元素供應的管道將為二維資料的生長及物性調控提供一個全新自由度,為二維資料的規模化製備及高端器件應用奠定資料基礎。
實驗重大突破
2019年7月15日,北京大學物理學院劉開輝研究員、俞大鵬院士、王恩哥院士與合作者在《自然•化學》雜誌線上發表題為“Kinetic modulation of graphene growth by fluorine through spatially confined decomposition of metal fluorides”的研究論文,報導了局域氟元素供應對石墨烯超快生長的調控機制,並將該項科技推廣到其它二維單晶資料的快速製備。
劉燦、徐小志、邱璐、吳慕鴻為論文共同第一作者,劉開輝、丁峰、熊傑為論文通訊作者。該研究成果得到了科技部、國家自然科學基金委、北京市科委相關項目,量子物質科學2011協同創新中心、人工微結構與介觀物理國家重點實驗室等的大力支持。
專家點評
局域氟輔助的石墨烯超快生長
清華大學化學系焦麗穎博士
氫氣、氧氣等活性物種可有效促進石墨烯等二維資料的化學氣相合成。而化學性質更為活潑的氟因其强腐蝕性與毒性,一直未能被引入到二維資料氣相合成反應中。近日,Nature Chemistry期刊報導了一項氟輔助石墨烯超快生長的最新研究成果。研究人員巧妙地利用了金屬氟化物在高溫下的熱分解反應,在限域空間中產生少量氟對石墨烯的生長動力學過程進行調控,實現了~200μms-1的石墨烯超快生長。該團隊結合理論計算推測了氟輔助石墨烯快速生長的機理並將這一方法推廣用於六方氮化硼和二維WS2的氣相合成,證實了氟對於其他二維資料生長也有顯著的促進作用。該工作提出的通過局域引入活性物種促進二維資料生長的新概念豐富了二維資料合成方法學,為二維資料的控制合成與效能調控提供了新思路。
劉開輝,北京大學物理學院研究員、課題組長、博士生導師、基金委“優青”、國家重點研發計畫課題負責人。本科畢業於北京師範大學物理學系;博士畢業於中科院物理所;2009-2014在美國加州大學伯克利分校物理系從事博士後研究工作;2014年到北京大學物理學院工作。主要從事介面調控二維資料生長動力學和物性研究,在二維單晶資料超快生長設計、米級單晶薄膜資料製造方法、錶介面耦合光譜學研究方向開展了系列工作。發表科研論文100餘篇,通訊/第一作者50餘篇包括Nature系列(正刊1篇,子刊10篇)、PNAS(2篇)、JACS(3篇)、Nano Letters(4篇)、Advanced Materials(7篇);申請專利32項,授權10項。現時擔任Science Bulletin副主編,Nanotechnology、低溫物理學報編委,全國資料新技術發展研究會理事。曾獲北京市科學技術一等獎(2009)和三等獎(2017)、中國十大科技新銳人物(2016)、北京市優秀人才青年拔尖個人(2017)、納米之星”創新創業大賽團隊第一名(2017)等獎項。