本工作室建立了微信群促进同学们之间的交流学习并有效讨论问题，可通过添加编辑微信进群。1.编辑微信：1）FEtunan（微信号）2）186006489282.工作室提供：二维材料生长及器件制作；科研绘图技巧；二维相关报告或会议推送；二维读博导师推荐、课题组招聘需求等欢迎大家投递中文的工作宣传稿及广告，具体联系微信：FEtunan（微信号）南京航空航天大学刘衍朋教授等发表题为Buffer-Assisted Epitaxy of Large-Area Ultraflat θ‑Tellurene with Mirror Symmetry”于Nano Lett.上。
近些年来二维碲烯一直是低维半导体领域的重点研究对象，常规制备工艺产出的 β 相碲烯依靠螺旋状碲原子链依靠范德华力堆叠而成，本身晶格缺少镜面与反演对称结构，非平面的原子排布不仅只能制备微米级小片材料，还很难和其他二维材料实现高质量范德华异质集成。尽管理论预测 α、β、γ 多种碲同素异形体，但受限于生长工艺，除 β 相以外的平整碲烯晶相始终无法在实验上稳定制备，Te 原子外层 p 电子排布容易形成高配位致密构型，常规沉积过程中原子随机团聚，难以形成平铺锯齿链构成的超薄平整二维薄膜。针对现存晶相单一、形貌凹凸、尺寸受限的行业难题，本文创新采用缓冲层辅助外延生长方案，在 Au (100) 单晶衬底上借助分子束外延结合后退火热处理，首次合成具有二重面内镜面对称的大面积超薄 θ 相碲烯,明确奥斯瓦尔德熟化结合原子解离双步相变是 θ 碲烯成型的核心物理机制，新材料具备 1.55eV 带隙的 n 型半导体属性，面内热导率、力学形变、光学响应都呈现极强各向异性，在偏振光电器件、微型热敏元器件方向拥有巨大应用潜力。
图 1 围绕 θ 碲烯原子构型与原位 STM 微观表征展开细致阐述，左侧结构示意图直观对比传统 β 碲烯与新型 θ 碲烯原子排布差异，β 相为空间螺旋原子链堆叠，而 θ 相由平铺之字形 Te 原子链两两配对形成拉链式超晶格结构，单链内部 Te 原子以共价键相连，键长、键角经过理论优化确定，也是本工作新材料的结构原型。右侧系列扫描隧道图像里，退火处理后的样品表面呈现规整周期性拉链排布，FFT 快速傅里叶变换图谱出现两套衍射点阵，一处对应上层 θ 碲周期性拉链结构，另一处隐点来自下层 Te 缓冲衬底，通过标定算出拉链周期约 0.901nm，缓冲层晶格常数 0.288nm，从倒空间数据佐证双层堆叠结构真实存在。样品边缘区域同时存在离散一维原子链和连续二维薄膜区域，沿轮廓做高度线扫后测得薄膜厚度仅 40pm 左右，远低于已知 α、β、γ 碲烯片层厚度，直接证明 θ 碲属于单原子层超平整薄膜，这套形貌表征从实空间和倒空间双重维度确定目标晶相成功合成，为后续相变研究打下形貌依据。
图 2 完整还原从初始 Te 原子沉积到最终 θ 碲成型的四步生长演变全过程，依次展示四种覆盖度对应的表面微观形貌，初始阶段 Te 原子在 Au (100) 表面优先形成 (2×2) 构型缓冲层，多余 Te 原子松散吸附在缓冲位点形成无共价连接的杂乱链状结构，随着 Te 沉积量提升至 1.29ML，零散原子逐步结合形成短锯齿链，链间出现固定沟槽，底层缓冲层同步从 (2×2) 结构转变为 (1×1) 排布；继续增加原料覆盖度到 1.48ML，样品表面出现菱形条状中间相，短锯齿链围绕菱形单元排布，此时材料还没有形成规整拉链结构；经过 400℃高温长时间后退火处理后，短链依托奥斯瓦尔德熟化机制发生原子迁移，短条状结构消融、原子向长链处富集，后续菱形结构边缘 Te 原子定向解离，左右手锯齿链两两配对生成完整拉链型 θ 碲。配套 DFT 能量计算数据清晰表明，短链原子迁移长大的反应体系能量降低 0.52eV，热力学自发正向进行，而反向错位配对构型能量升高 0.46eV 很难自发形成，从热力学角度解释退火驱动两步相变的内在逻辑，也说明缓冲层原子排布平整，极大降低 Te 原子迁移势垒，是整套相变能够平稳发生的关键保障。
图 3 聚焦大面积样品均匀性、原子分辨成像与退火过程对称性演变规律，选取 Au (100) 衬底五个不同点位采集大范围 STM 图像，全片区域拉链结构排布高度统一，直观证实缓冲外延工艺可以实现厘米尺度均匀生长，摆脱传统碲烯尺寸受限的弊端。高分辨 STM 与理论模拟图谱高度重合，精准复现单胞尺寸参数，非接触原子力显微镜进一步从泡利排斥作用层面验证链内共价成键、链间无化学键的结构特点，电子局域函数图谱显示 Te 原子成键区域电子高度聚集，链与中间电子离域明显，完美解释材料本征各向异性的来源。退火时序对应的结构演变图清晰展示对称性变化，初始混杂相仅具备一组镜面对称，经过中间解离过渡态，最终成型 θ 碲新增一组平行拉链方向的镜面，形成二重镜面对称晶体结构，这类高对称构型在拓扑电子、偏振器件研究中具备独特优势，也从结构演化层面印证热处理调控晶相、优化对称性的设计思路切实可行。
图 4 是 θ 碲烯电学、界面、理化、多场物性与环境稳定性的综合测试汇总，STS 扫描隧穿谱测得价带顶到导带底差值 1.55eV，和理论计算 1.43eV 带隙高度吻合，确定新材料为 n 型半导体，和以往 p 型碲烯形成鲜明区分。截面透射电镜分层成像直观分出 θ 碲、Te 缓冲层、Au 衬底三层界面，层间距数值和理论模型匹配，原子排布无混层互渗，证明缓冲层起到电子隔离作用，隔绝金属衬底干扰、保留薄膜本征半导体属性。X 射线光电子能谱全谱无氧化杂峰，Te、Au 均保持零价态，排除合金化与表面氧化问题，保障材料化学稳定性。热导率、应力应变的理论计算结果体现极端面内各向异性，沿原子链方向与垂直方向热导率跨度达到三个数量级，力学形变系数差异显著；变角拉曼测试中特征峰强度随偏振角度周期性变化，实验数据和拟合曲线一致，从光学层面佐证各向异性特征；最后空气暴露时效性测试显示样品在常温常湿环境下数百分钟内拉曼峰形、峰强变化微弱，拥有优良大气稳定性，满足常规器件制备加工的环境要求。
文献：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c04669
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