二维材料外延生长中的取向控制：高指数表面的作用

摘要： 在二维材料的外延生长中，实现其取向均匀性是制备高质量单晶材料的关键。本文探讨了基底对称性对二维材料外延生长的影响，特别是高指数表面在实现取向均匀性方面的作用。研究发现，传统的具有高对称性的低指数基底往往会导致二维材料生长过程中出现多种取向。相比之下，低对称性基底，如高指数表面，由于其独特的原子结构，可以有效地控制二维材料的成核和生长方向，从而促进各种二维材料的取向均匀性。

正文：

在众多已知的二维材料中，大多数都具有三重对称性，例如被广泛研究的六方氮化硼 (hBN) 和过渡金属二硫化物 (TMDCs)。然而，寻找适合外延生长这些材料的低指数、三重对称性基底并不容易。即使对于一些具有三重对称性的低指数基底，例如 Cu(111) 和 Al2O3(0001) 表面，其顶层原子的对称性往往更高，例如 Cu(111) 顶层原子具有六重对称性。

这种对称性差异会导致在 C3V 对称性基底上生长的 C3V 二维材料形成两种或多种高对称性构型，例如 WS2 在 hBN 表面上的 0° 和 60° 构型，以及 MoS2 在 Al2O3 (0001) 表面上的 0° 和 60° 构型。实验上，通常观察到三重对称基底上生长出反平行排列的 TMDC 岛屿，而平行排列的 TMDC 岛屿则需要精确控制实验条件才能获得。

理论上，如果基底具有 C1 对称性群（即无对称性），那么任何二维材料都可以在其上进行外延生长，这意味着在没有对称性的基底上，我们可能能够实现任何二维材料的取向均匀性。

在实际应用中，具有非常低对称性的基底可以是高指数表面或低指数表面的斜切面。高指数表面具有许多由平行台阶边缘连接的低指数平台。这些台阶边缘可以作为成核位点，引导二维材料的生长，并通过与二维材料边缘的相互作用促进其取向均匀性。

例如，在 Cu(102)、Cu(103) 和斜切 Cu(110) 表面上观察到了与台阶边缘平行排列的 hBN 岛屿。此外，在具有台阶边缘的 Al2O3(0001) 表面上也观察到了排列整齐的 WSe2 岛屿。最近，这种策略已被用于在斜切 Cu(110) 表面和具有台阶边缘的 Cu(111) 表面上生长晶圆级单晶 hBN，以及在具有台阶边缘的 Au(111) 表面上生长厘米级单晶 MoS2。

密度泛函理论 (DFT) 计算表明，二维材料与基底之间的弱相互作用以及二维材料边缘与基底台阶边缘之间的强相互作用导致了二维材料岛屿沿着基底台阶边缘的有利取向。

由于高指数表面可以通过对单晶进行简单的错切操作获得，因此我们相信这将成为未来合成各种高质量、大尺寸二维材料的通用策略。