晶圆尺寸、高品质、单晶二维材料的制备，是其走向应用的关键一步。前期很多工作基于外延生长法，在固体基底上成功制备了多种晶圆尺寸单晶二维材料，如石墨烯、六方氮化硼（hBN）、二硫化钼（MoS2）等。除了固体基底外，二维材料在液态基底上的生长也已经被广泛探索。然而在液态基底上，不同边界的二维晶畴能否通过无缝融合实现晶圆级单晶生长，至今尚不清楚。如要成功实现，有两个问题亟待解决：（1）这些具有不同边界的二维晶畴在液态基底表面如何通过旋转, 选择可能的融合边界？（2）边界在何种状态下更利于融合形成大尺寸、无缺陷单晶薄膜？韩国蔚山基础科学研究院丁峰教授课题组在ACS Nano上发表题为“Mechanism of 2D Materials Seamless-Coalescences on Liquid Substrate”的论文。该论文以六方氮化硼（hBN）在液态金表面的生长为例，系统研究了不同边界的hBN晶畴在金基底表面无缝融合过程。从静态计算到分子动力学模拟，全面探究大尺寸、高质量晶圆级hBN单晶生长的微观机理。结果表明边界未被钝化的hBN晶畴在金表面很容易融合在一起，和边界类型无关。但所形成的hBN纳米片会带有缺陷或晶界，如结构中包含B-B键、N-N键、4|8环等。而边界被氢钝化的hBN晶畴只有在特定的情况下(II: ZB-ZN 和 VI: ABN-ANB)才能融合，可以形成大尺寸的单晶hBN薄膜。因此，可以得出结论：（1）在液态基底表面，通过具有不同边界二维晶畴的无缝融合，可以实现晶圆级单晶二维材料的生长；（2）边界钝化对于二维晶畴在液态基底表面的无缝融合至关重要。
图1. 可能出现的不同边界hBN晶畴的融合情况 a 圆形hBN晶畴的四类不同边界：扶手椅边界ANB（沿环形箭头的顺时针方向先出现N原子）和 ABN （沿环形箭头的顺时针方向先出现B原子）；锯齿形边界ZB 和ZN。b 液态金表面圆形hBN晶畴融合示意图。 c 各种可能的边界融合类型。
图2. 边界未钝化的hBN晶畴在金基底表面的融合。 a 六类hBN边界在金表面融合的反应能。 b 锯齿形hBN边界在金表面融合前后的结构。c 扶手椅型hBN边界在金表面融合前后的结构。
图3. 边界被氢原子钝化的hBN晶畴在金基底表面的融合. a 六类边界被氢钝化的hBN在金表面融合的反应能. b 锯齿形hBN边界在金表面融合前后的结构. c 扶手椅型hBN边界在金表面融合前后的结构.
图4. 金基底表面三种类型hBN边界的氢压随温度变化图, 进一步证明边界被氢钝化的hBN晶畴在实验温度下更有利于无缝融合。
图5. 边界被氢钝化的hBN晶畴的融合动能。a 两类边界（II: ZB-ZN和VI: ABN-ANB）被氢钝化的hBN在金表面无缝融合的示意图；b II: ZB-ZN 和 VI: ABN-ANB在金表面脱氢融合的反应路径；c II: ZB-ZN和VI: ABN-ANB融合过程中的一些稳定结构。论文第一作者为韩国基础科学研究院博士后、陕西科技大学丁利苹副教授，论文通讯作者为韩国基础科学研究院丁峰教授。化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chen@chemshow.cn
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