類(lèi)黑磷結(jié)構(gòu)二維亞穩(wěn)態(tài)A17相鉍是一種具有新奇電子特性的量子材料，在低功耗電子學(xué)、納米鐵電及熱電轉(zhuǎn)換等應(yīng)用領(lǐng)域具有潛力。A17相鉍的二維生長(zhǎng)通常依賴(lài)原子級(jí)平整的金屬基底，鉍與基底間過(guò)強(qiáng)的相互作用嚴(yán)重限制了其外延橫向尺寸，而其隨生長(zhǎng)厚度增加容易產(chǎn)生相變成為塊材相，這些問(wèn)題阻礙了對(duì)該材料本征物性的深入研究和器件開(kāi)發(fā)。

近日，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院王宏達(dá)課題組基于“介電屏蔽”效應(yīng)，發(fā)展出一種“類(lèi)自由生長(zhǎng)”的范德華外延方法，成功制備出長(zhǎng)度超過(guò)30微米、長(zhǎng)寬比高于150、厚度僅6~10個(gè)雙原子層的A17相鉍納米帶，突破了該材料在氣相外延中難以實(shí)現(xiàn)10微米以上橫向尺寸的瓶頸。該成果以“Freestanding-Mimetic Growth of Ultralong A17 Bismuth Nanoribbons via Dielectric-Mediated Van der Waals Epitaxy”為題，在材料科學(xué)與納米科技領(lǐng)域?qū)W術(shù)期刊Small上發(fā)表。

研究創(chuàng)新性地選用云母這一絕緣二維晶體作為生長(zhǎng)基底。云母表面特有的介電屏蔽效應(yīng)，能夠像“緩沖層”一樣弱化材料與基底間的電子相互作用，同時(shí)其原子級(jí)平整的表面為外延生長(zhǎng)提供了理想的二維模板。

圖1：上科大團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)A17相鉍納米帶的類(lèi)自由生長(zhǎng)。

基于Wulff晶體形貌構(gòu)建理論的分析結(jié)果，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)活性較高的扶手椅邊與對(duì)角邊協(xié)同作用，共同驅(qū)動(dòng)了鉍原子沿鋸齒型晶向的一維外延生長(zhǎng)。超長(zhǎng)A17相鉍納米帶的生長(zhǎng)過(guò)程模擬了溶液合成方法中的一維自由生長(zhǎng)行為，因而被稱(chēng)為“類(lèi)自由生長(zhǎng)”。第一性原理計(jì)算進(jìn)一步揭示，納米帶三個(gè)邊緣能量的協(xié)同調(diào)控，是突破傳統(tǒng)尺寸限制的關(guān)鍵要素。

圖2：A17相鉍納米帶生長(zhǎng)形貌的Wulff構(gòu)建分析。

該工作驗(yàn)證了一種具有普適性的“介電屏蔽范德華外延”生長(zhǎng)新范式，為其他亞穩(wěn)相二維材料、復(fù)雜氧化物等體系的可控生長(zhǎng)提供了新思路。高質(zhì)量超長(zhǎng)納米帶也為A17相鉍的物性與器件研究提供了必要的材料基礎(chǔ)。

上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院2021級(jí)博士生唐銀亮、2022級(jí)博士生任義元、博士畢業(yè)生吳楠以及于奕課題組博士畢業(yè)生胡祥辰為共同第一作者。該研究在王宏達(dá)教授和于奕教授的共同指導(dǎo)下完成，王宏達(dá)教授為通訊作者，上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。

論文標(biāo)題：Freestanding-Mimetic Growth of Ultralong A17 Bismuth Nanoribbons via Dielectric-Mediated Van der Waals Epitaxy

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202513382