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物理所等用原位電鏡石墨烯液相反應(yīng)池方法生長BeO新型二維晶體結(jié)構(gòu)
2020年07月17日 09:10:51 來源:物理研究所 點(diǎn)擊量:4111

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員白雪冬課題組在過去二十年致力于發(fā)展高分辨原位綜合物性測量系統(tǒng),在透射電鏡內(nèi)構(gòu)筑器件單元和微納測量系統(tǒng),在外場(力、熱、電、光等)激勵(lì)下,產(chǎn)生、觀測和調(diào)控新物態(tài)與新物性。近,基于像差矯正電鏡技術(shù)和原位液相反應(yīng)池技術(shù),該課題組副研究員王立芬與合作者在新型二維結(jié)構(gòu)的液相合成方法與生長機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。

  【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】自然中普遍存在的現(xiàn)象,如云層中水分子在灰塵礦物質(zhì)表面的聚集造成的降水/降雪、生物礦物質(zhì)的形成等物理/化學(xué)過程等,都與基于結(jié)構(gòu)物態(tài)相變的物理機(jī)制有關(guān)。發(fā)展液固相變成像技術(shù),在原子尺度上對液固相變自下而上的成核結(jié)晶熱力學(xué)/動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測表征,揭示相變微觀物理圖像,對生長機(jī)理研究和新材料合成及應(yīng)用具有重要意義。
 
  中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員白雪冬課題組在過去二十年致力于發(fā)展高分辨原位綜合物性測量系統(tǒng),在透射電鏡內(nèi)構(gòu)筑器件單元和微納測量系統(tǒng),在外場(力、熱、電、光等)激勵(lì)下,產(chǎn)生、觀測和調(diào)控新物態(tài)與新物性。近,基于像差矯正電鏡技術(shù)和原位液相反應(yīng)池技術(shù),該課題組副研究員王立芬與合作者在新型二維結(jié)構(gòu)的液相合成方法與生長機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。
 
  研究團(tuán)隊(duì)利用石墨烯模板法即石墨烯包裹化學(xué)反應(yīng)溶液隔絕于透射電鏡中超高真空的方法,通過原位顯微成像和顯微譜學(xué)研究,結(jié)合第一性原理計(jì)算,發(fā)現(xiàn)了在受限液體環(huán)境中具有新型二維結(jié)構(gòu)的BeO結(jié)晶生長機(jī)制。BeO的自然穩(wěn)定相為纖鋅礦結(jié)構(gòu),陰陽離子沿<0001>晶體方向存在極性表面,理論認(rèn)為在低層數(shù)下結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定(極化災(zāi)難),陰陽離子會(huì)塌縮到同一層形成二維結(jié)構(gòu)。在液相反應(yīng)系統(tǒng)中自下而上的實(shí)時(shí)觀測表征為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一預(yù)言提供了可能,而且石墨烯的表面無懸掛鍵,避免了襯底界面應(yīng)力影響,是理想的本征熱力學(xué)研究模板。原位顯微成像及電子能量損失譜分析表明,石墨烯液相池中BeO晶粒的結(jié)構(gòu)明顯有異于纖鋅礦結(jié)構(gòu),為面內(nèi)六角結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)二維層狀特征;進(jìn)一步的原位角分辨EELS表征證實(shí),石墨烯反應(yīng)池中BeO的化學(xué)鍵構(gòu)型存在明顯的面內(nèi)面間的各向異性。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),在層數(shù)相對較多的厚度內(nèi)BeO仍然保持穩(wěn)定的六角結(jié)構(gòu),理論計(jì)算分析表明,其與纖鋅礦相之間的相變勢壘以及無外延應(yīng)力的石墨烯模板是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的動(dòng)力學(xué)原因。
 
  該工作發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed. 59,2-9(2020))上。文章在線發(fā)表后,被《科學(xué)》雜志編輯選為亮點(diǎn)文章進(jìn)行報(bào)道和評論(Science 369,46-47 (2020))。原位電鏡石墨烯液相反應(yīng)池方法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)觀測表征結(jié)晶生長過程和微觀結(jié)構(gòu)變化,是一種獨(dú)特的反應(yīng)環(huán)境用于生長新型二維材料。
 
  王立芬為共同第一作者和通訊作者,復(fù)旦大學(xué)教授高尚鵬和美國田納西大學(xué)教授顧工為共同通訊作者。該工作得到了中科院、科技部、國家自然科學(xué)基金委和中科院青促會(huì)等的資助。
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