物理所等用原位電鏡石墨烯液相反應池方法生長BeO新型二維晶體結構

2020-11-26 中國科學院

　　自然中普遍存在的現象，如雲層中水分子在灰塵礦物質表面的聚集造成的降水/降雪、生物礦物質的形成等物理/化學過程等，都與基於結構物態相變的物理機制有關。發展液固相變成像技術，在原子尺度上對液固相變自下而上的成核結晶熱力學/動力學行為進行實時觀測表徵，揭示相變微觀物理圖像，對生長機理研究和新材料合成及應用具有重要意義。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室研究員白雪冬課題組在過去二十年致力於發展高分辨原位綜合物性測量系統，在透射電鏡內構築器件單元和微納測量系統，在外場（力、熱、電、光等）激勵下，產生、觀測和調控新物態與新物性。最近，基於像差矯正電鏡技術和原位液相反應池技術，該課題組副研究員王立芬與合作者在新型二維結構的液相合成方法與生長機理研究方面取得新進展。

　　研究團隊利用石墨烯模板法即石墨烯包裹化學反應溶液隔絕於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研究，結合第一性原理計算，發現了在受限液體環境中具有新型二維結構的BeO結晶生長機制。BeO的自然穩定相為纖鋅礦結構，陰陽離子沿<0001>晶體方向存在極性表面，理論認為在低層數下結構不穩定（極化災難），陰陽離子會塌縮到同一層形成二維結構。在液相反應系統中自下而上的實時觀測表徵為實驗驗證這一預言提供了可能，而且石墨烯的表面無懸掛鍵，避免了襯底界面應力影響，是理想的本徵熱力學研究模板。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晶粒的結構明顯有異於纖鋅礦結構，為面內六角結構，呈現二維層狀特徵；進一步的原位角分辨EELS表徵證實，石墨烯反應池中BeO的化學鍵構型存在明顯的面內面間的各向異性。實驗還發現，在層數相對較多的厚度內BeO仍然保持穩定的六角結構，理論計算分析表明，其與纖鋅礦相之間的相變勢壘以及無外延應力的石墨烯模板是結構穩定的動力學原因。

　　該工作發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed. 59，2-9（2020））上。文章在線發表後，被《科學》雜誌編輯選為亮點文章進行報導和評論（Science 369，46-47 (2020)）。原位電鏡石墨烯液相反應池方法實現了實時觀測表徵結晶生長過程和微觀結構變化，是一種獨特的反應環境用於生長新型二維材料。

　　王立芬為共同第一作者和通訊作者，復旦大學教授高尚鵬和美國田納西大學教授顧工為共同通訊作者。該工作得到了中科院、科技部、國家自然科學基金委和中科院青促會等的資助。

　　論文連結

BeO纖鋅礦結構極性原子模型與石墨烯液相反應池

石墨烯反應池合成BeO納米晶粒與外延生長BeO薄膜的TEM/EELS結果對比

液相反應池中BeO納米晶與外延薄膜纖鋅礦BeO的角分辨EELS結果對比

BeO兩種結構EELS模擬與相變勢壘的第一性原理計算

相關焦點

  • 中科院物理所等用原位電鏡石墨烯液相反應池方法生長BeO新型二維...
    最近，基於像差矯正電鏡技術和原位液相反應池技術，該課題組副研究員王立芬與合作者在新型二維結構的液相合成方法與生長機理研究方面取得新進展。 研究團隊利用石墨烯模板法即石墨烯包裹化學反應溶液隔絕於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研究，結合第一性原理計算，發現了在受限液體環境中具有新型二維結構的BeO結晶生長機制。
  • 進展 | 原位電鏡石墨烯液相反應池方法生長BeO新型二維晶體結構
    中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室白雪冬研究員課題組在過去二十年致力於發展高分辨原位綜合物性測量系統，在透射電鏡內構築器件單元和微納測量系統，在外場（力、熱、電、光等）激勵下，產生、觀測和調控新物態與新物性。最近，基於像差矯正電鏡技術和原位液相反應池技術，該課題組王立芬副研究員與合作者在新型二維結構的液相合成方法與生長機理研究方面取得新進展。
  • 科學家用原位電鏡石墨烯液相反應池方法生長BeO新型二維晶體結構
    中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室研究員白雪冬課題組在過去二十年致力於發展高分辨原位綜合物性測量系統，在透射電鏡內構築器件單元和微納測量系統，在外場（力、熱、電、光等）激勵下，產生、觀測和調控新物態與新物性。
  • 進展|原位電鏡石墨烯液相反應池方法生長BeO新型二維晶體結構
    中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室白雪冬研究員課題組在過去二十年致力於發展高分辨原位綜合物性測量系統，在透射電鏡內構築器件單元和微納測量系統，在外場（力、熱、電、光等）激勵下，產生、觀測和調控新物態與新物性。最近，基於像差矯正電鏡技術和原位液相反應池技術，該課題組王立芬副研究員與合作者在新型二維結構的液相合成方法與生長機理研究方面取得新進展。
  • 新型類石墨烯二維晶體材料——鍺烯的研究獲進展
    近日，中國科學院武漢物理與數學研究所曹更玉研究組與中國科學院物理研究所高鴻鈞院士研究組合作，在新型類石墨烯二維晶體材料——鍺烯的製備研究方面取得新進展，相關研究結果與中科院物理所以共同第一作者單位合作發表在Advanced Materials
  • JACS: 原位透射電鏡直接觀察Li-O2電池的液相放電過程
    對此，有人利用氧化還原介質可在液相中產生穩定且可溶的中間體絡合物，並抑制在電極表面上形成絕緣Li2O2膜。此外，對鋰氧電池反應機理的理解可進一步優化電池設計、電解質選擇和電極材料設計，以確保提高能量密度和可逆循環性，但這些都因為不能實現原位檢測而受阻。因此，液相電池的原位透射電鏡(TEM)觀察可作為一個合適的契機，為解決這些問題提供條件。
  • 大連化物所二維原子晶體限域生長研究取得新進展
    近年來傅強、包信和帶領的研究團隊利用實驗室自行研製的光發射電子顯微鏡/低能電子顯微鏡（PEEM/LEEM）並結合其他表面技術開展了二維原子晶體表界面過程的原位動態研究，發現二維原子晶體與固體表面形成的二維空間可以作為表面反應的納米反應器，並提出了
  • 「二維世界」的構築與操縱——第一屆中科院物理所博士後年會優秀...
    現有研究表明，外延生長是兼顧尺寸和質量的二維單晶生長方法，其主要挑戰就是襯底表面對稱性的調控。常見的二維單晶生長襯底是單晶金屬箔，其表面具有中心反演對稱性，適合於外延晶格也具有中心反演對稱性的材料，例如石墨烯（二維導體）。但是對於絕大多數其它的二維材料，比如六方氮化硼（二維絕緣體），其晶格是非中心反演對稱的，因而無法在常規金屬單晶上外延生長出單晶材料。
  • 石墨烯液體電池的雙金屬核殼納米管各向異性溶解動力學成像
    在過去的十年中，原位液相透射電子顯微鏡已經成為一種強有力的工具，用於觀察以前看不見的和難以接近的動力學，這些動力學在相關的長度和時間尺度上都有納米晶體生長，溶解和自組裝。人們已經可以從多金屬納米晶體的受控刻蝕或脫合金來合成具有難以通過自下而上合成方法獲得的形狀和組成的非平衡納米結構，但用這種方法很難探測短壽命的中間體。
  • 蘇大：石墨烯液體電池的雙金屬核殼納米管各向異性溶解動力學成像
    在過去的十年中，原位液相透射電子顯微鏡已經成為一種強有力的工具，用於觀察以前看不見的和難以接近的動力學，這些動力學在相關的長度和時間尺度上都有納米晶體生長，溶解和自組裝。人們已經可以從多金屬納米晶體的受控刻蝕或脫合金來合成具有難以通過自下而上合成方法獲得的形狀和組成的非平衡納米結構，但用這種方法很難探測短壽命的中間體。
  • 在掃描電鏡下襯度較低的二維材料,如何準確表徵?
    而掃描電鏡-拉曼聯用技術給出了很好的解決方案，確實成為石墨烯研究最強大的「神器」。在拉曼光譜中通常也用G峰和2D峰的比值來衡量石墨烯的厚度，比值越小，膜厚也約小。如下圖，在矽襯底上用CVD法生長的石墨烯。我們通過電鏡-拉曼一體化系統得到G峰和2D峰的面分布圖，不過僅有G峰和2D峰的分布情況並不能完全幫助我們進行明確的厚度分布分析。
  • 需求很火熱,發展正當時——原位電子顯微學表徵分會場側記
    針對市場上原有原位電鏡加熱裝置樣品熱漂移大、溫度控制精度差、樣品製備困難的問題，單智偉團隊成功研發出了一種新型的原位電鏡加熱裝置。最後，用靜電紡絲方法製備了一種基於亞納米非晶納米線的顯微，原位力學測試說明材料的力學性能受材料內部超順結構影響顯著，循環實驗說明亞納米線間距的減小大大提高了範德華力的作用，材料的強度得到進一步提高。
  • 「邊緣能」使三維納米顆粒生長成二維材料
    背景 2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）用一種簡單方法，從石墨薄片中剝離出了石墨烯，為此，他們二人也榮獲了2010年的諾貝爾物理學獎。
  • 石墨烯的製備方法及應用
    石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，直至2004 年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因在二維石墨烯材料的開創性實驗而共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。
  • 物理所二維原子晶體銻烯研究取得進展
    近年來的研究熱點之一二維（2D）原子晶體材料與傳統半導體材料相比，具有散射小、遷移率高、便於製備疊層異質結構、電學性質易於調控等特性，成為製作未來電晶體的優秀候選材料之一。在已發現的二維原子晶體材料中，由元素周期表中IV族元素構成的單層材料（例如石墨烯，矽烯，鍺烯和錫烯等）具有高載流子遷移率，但由於其帶隙為零或趨近於零，限制了它們在場效應電晶體等電子學器件中的應用前景。
  • 物理所在二維原子晶體異質結的構築及物性研究中取得進展
    石墨烯，作為二維原子晶體材料的經典代表，由於其獨特的電子和物理性質，自2004年從其母體石墨中剝離以來，短短幾年間成為舉世矚目的研究熱點，引發了世界範圍內對新型二維晶體材料的探索和研究熱潮。把不同物理性質的二維晶體材料疊加，極有可能產生一些新的材料結構和物理性質，例如，在石墨烯-氮化硼異質疊層結構中，觀測到了新的物理性質，證實了40多年前的理論預測（霍夫施塔特蝴蝶（Hofstadter’s butterfly）——描述電子在磁場中運動狀況的絕妙分型圖案）。
  • 【科研進展】新型半導體二維原子晶體鍺矽烷材料的帶隙調控
    因此，精確調控二維半導體原子晶體的能帶結構是提高器件性能的重要方法。針對該難點，團隊通過直接氫化Zintl相CaGe2和CaSi2結合拓撲化學反應，分別製備了具有二維層狀結構的鍺烷（GeH）和矽烷（SiH）。在此基礎上通過控制鈣（Ca）、鍺（Ge）和矽（Si）單質的化學計量比，通過高溫燒結製備了前驅體Ca(Ge1-xSix)2合金，再將驅體Ca(Ge1-xSix)2合金進行低溫（-30℃）濃鹽酸插層反應，最終獲得一系列不同化學結構的二維鍺矽烷。
  • .: 普適性機械解理技術引領二維材料研究新熱潮
    化學氣相沉積法可以製備大面積的二維材料，但對於不同材料製備工藝差異很大，在單晶性、缺陷、層數等方面難以控制，為深入研究二維材料的性質帶來了挑戰；分子束外延法可以獲得單晶質量很高的樣品，但對於真空度、元素的物理性質以及基底的選擇都有極高的要求，很多二維材料難以通過MBE方法製備，並且在某些材料體系中（如單層FeSe），分子束外延法生長的二維材料與基底存在顯著的相互作用，影響到對於材料本徵物性的研究。
  • 物理所二維原子晶體銻烯的結構及物性調控研究取得進展
    石墨烯的發現以及其具有的獨特性質和應用價值激發了人們對其他二維材料的研究熱情。其中由第V主族元素構成的單層材料由於具有較大的帶隙、高的載流子遷移率以及「非平庸」的拓撲性質等特點，非常適合應用於下一代電子器件之上。