近日，我院柯善明教授团队联合香港理工大学郝建华教授等合作者，在准范德华外延薄膜制备技术研究中取得重要进展。研究团队以Fe4N/mica为模型体系，首次发现通过光照调控异质界面的耦合作用，可成功驱动薄膜外延生长从自由外延向锁定外延状态转变。相关成果以“Optical modulation of interfacial coupling drives a transition from free-epitaxy to locked-epitaxy”为题发表在国际知名学术期刊《Nano Letters》上。
01.研究背景
准范德华外延是实现晶圆级二维材料制备、以及二维材料与三维功能材料异质集成的关键手段，在二维器件、柔性电子、可穿戴器件等领域具有广阔前景。然而，由于准范德华外延界面相互作用较弱，薄膜生长往往倾向于“自由外延”状态——即薄膜主要遵循自身表面能偏好，与基底之间缺乏特定的结晶学取向关系，导致面内旋转简并和应变缺失。如何通过外部刺激实现对界面耦合的有效调控，从而获得具有特定取向和应变的“锁定外延”状态，是该领域长期面临的核心挑战。
图1. 2D/2D自由外延和锁定外延示意图（3D薄膜还涉及面外锁定）
02.创新成果：光调控实现外延生长的切换
研究团队采用磁控溅射技术在mica衬底上生长Fe4N薄膜，意外地发现光照可以使薄膜的生长面从(001)面转变为(111)面。细致的表征实验证实暗场生长的薄膜符合典型的自由外延特征，而光照生长的薄膜则展现出典型的锁定外延特征。利用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，团队建立了外延生长界面的热力学框架，并揭示了两种外延状态的界面能量差异。Fe4N(001)/mica界面主要由范德华作用主导，界面耦合较弱；而Fe4N(111)/mica界面则具存在显著的非范德华贡献，光照显著增强了衬底表面吸附物质的化学活性，导致化学作用在界面作用中占主导地位，形成了更强的耦合锁定。
该工作首次证明了光辐照可以作为非接触式的外场调控手段，在准范德华外延中实现从自由外延到锁定外延的转变。这一策略不仅为Fe4N/mica体系提供了新的生长调控途径，也为其它准范德华异质结的界面工程提供了普适性思路。
图2. 光辅助范德华外延生长示意图
03.论文相关
该研究由广州大学与香港理工大学合作完成，广州大学为第一署名单位。第一作者是梁任宏博士，柯善明教授与香港理工大学郝建华教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、及广州市教育局材料科学与工程重点学科等项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.6c02028
