当今科技领域中，二维材料的研究和应用正日益成为热点话题。作为一种结构特殊、性能优异的材料，二维材料不仅在电子学、光电子学等领域展现出巨大潜力，还在能源、生物医药等多个领域展现出独特的应用前景。而二维材料的制备过程中，如何精确控制其单畴的成核过程显得尤为关键，直接影响着其结晶质量和性能表现。我们讨论了沿平面方向的二维单晶单层外延的当前状态，包括单领域的成核控制、多领域的取向控制以及处理缺陷的质量控制。本文将深入探讨二维材料在单畴成核控制方面的最新进展和技术策略。
成核的基本过程
二维材料的生长可以追溯到其初始的成核阶段。当原料进入生长系统后，它们在基板表面形成动态平衡，同时分解为活性物种并在高表面能的活性位点聚集，形成零维的成核种子。这些种子通过在一维边缘处的原子附着和键合逐渐演化成为单晶域。这一过程通常是系统化和快速的，直到不同域之间的合并发生（图1）。
图1：a, 石墨烯在铜基底上的生长过程，包括（i）原料供给，（ii）零维核的形成，和（iii）在一维边缘处的原子附着。b, 在没有成核控制的情况下，域的合并过程中形成晶界。c, 抑制成核的途径，包括（i）减少活性位点的数量，（ii）降低成核密度，和（iii）局部供料。d, 通过调节动力学和热力学来实现快速生长的途径。
形成多晶与单晶的区别
在无成核控制的情况下，初始核心往往是随机分布和取向的，导致多晶体的形成。这些多晶体在合并过程中会形成大量的晶界，从而影响材料的电子输运和光学特性。相比之下，通过控制单畴的成核，可以大大提高单晶域的尺寸和结晶质量，从而优化材料的性能表现（图1）。
在二维材料的生长过程中，若没有有效的成核控制，不同畴之间在合并过程中会形成晶界（图1b）。晶界的存在会影响材料的电子传输性能和机械性能，因此精确控制单畴的成核至关重要。
成核控制的关键挑战与策略
在二维材料的成核过程中，面临着多个挑战，包括随机分布的多晶体和大量的晶界。为了实现单畴的控制，科学家们提出了多种策略：
- 减少活性位点数量：通过基板的预处理，如表面的抛光和高温退火，消除活性位点，有效抑制了多晶体的形成，从而促进单畴的生长（图1ii）。
- 引入液态基底和钝化剂：使用液态金属如液态镓、铟等作为基底，或者引入钝化剂如氧气、三聚氰胺等，进一步改善表面平整度，促进大尺寸单晶畴的横向生长（图1iii）。
- 调控前体扩散和反应速率：通过调节前体的引入时间、流速，设计扩散屏障等措施，降低成核密度，加速畴的生长速率，从而实现毫米级别的大尺寸畴的制备（图1i）。
小结
二维材料的单畴成核控制不仅是材料科学研究的前沿问题，也是解锁其巨大应用潜力的关键。随着技术的不断进步和理论的深入探索，我们有信心未来能够在制备高质量、大尺寸二维材料方面迈出更大的步伐，为新一代电子和光电子器件的发展提供坚实的基础。通过本文的科普介绍，希望读者能够对二维材料的成核控制有一个更深入的理解，并关注其在科技创新和产业应用中的不断演进和突破。
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