北大高鹏等人联合在 Nat. Commun.报道：石墨烯/蓝宝石界面强相互作用的原子机理

【背景介绍】

在晶体材料的界面处，断裂的平移对称性通常会极大地改变光学、电学和磁学性质而出现许多奇异现象，例如界面感应的超导性、二维（2D）电子气、磁电耦合等。其中，在原子薄的2D材料中，界面效应要占主导地位。同时在2D/2D异质结构中也可观察到这种效应。此外，石墨烯（Gr）间的界面通过“魔法”角耦合，在半填充时产生相关的绝缘状态，在静电掺杂时可调至零电阻状态。最近，Gr/蓝宝石（α-Al₂O₃）中α-Al₂O₃作为栅极介电层具有相对较高的介电性能，使其在电子器件中具有应用前景。此外，Gr/α-Al₂O₃还可作为第三代半导体远程生长的平台，其中Gr用作缓冲层以克服晶格失配的局限。在基板上的静电势受界面性质的控制，所以界面性质最终决定了外延晶体的质量。故而揭示Gr/α-Al₂O₃界面的原子结构和结合性质至关重要。虽然现在表征技术取得不错的进展，但是仍然无法详细获得Gr/α-Al₂O₃界面的结构和性能的关系。像差校正透射电子显微镜（Cs-TEM）能够以原子分辨的方式识别材料的结构和化学组成，而不管其导电性如何。然而，石墨烯/蓝宝石在电子设备和半导体薄膜生长中具有广泛的应用，但是对于该界面的性质基本处于未知状态。

【成果简介】

最近，北京大学的高鹏教授、湖南大学的Lei Liao和中国科学院半导体研究所的Shenyuan Yang（共同通讯作者）联合报道了他们利用像差校正透射电子显微镜（Cs-TEM）技术发现α-Al₂O₃表面与Gr中的一些碳原子具有很强的相互作用，形成C-O-Al构型，表明两者间的界面相互作用不是简单的范德华相互作用。此外，界面附近的α-Al₂O₃的结构弛豫被显着抑制，并且与裸露的蓝宝石表面的弛豫非常不同。但是在高温下，Gr生长期间形成了C-O-Al界面键。总之，该研究为理解Gr在α-Al₂O₃上的电子结构以及通过使用Gr/α-Al₂O₃基底远程控制薄膜的外延生长提供了新知识。研究成果以题为“Atomic mechanism of strong interactions at the graphene/sapphire interface”发布在国际著名期刊Nature Communications上。

【图文解读】

图一、Gr/α-Al₂O₃界面的原子结构
（a）沿[100]方向观察的HAADF图像；

（b）相应的球棒模型和仿真图像。

图二、DFT计算出的Gr/α-Al₂O₃的界面结构
（a）顶视图；（b）侧视图。其中，长度单位为Å。红色：铝原子；绿色：O原子；灰色：C原子。

图三、Al-Al长度和角度的定量测量
（a）Al-Al长度映射；

（b）平均距离；

（c）Al-Al角度映射；

（d）平均角度。

图四、用相应的本体间距的百分比表示α-Al₂O₃的层间弛豫

【小结】

综上所述，作者利用Cs-TEM获得了Gr/α-Al₂O₃间的界面结构。研究发现，最顶层是重构的O层，直接键合到Gr上以形成C-O-Al界面结构。此外，在存在Gr和界面结合的情况下，界面附近的α-Al₂O₃的结构弛豫行为受到抑制。通过DFT模拟计算所得结果与所有这些结果都非常吻合。研究表明，Gr/α-Al₂O₃的界面并不像假定的那么简单，并且Gr与底物之间的相互作用是非纯的范德华作用力。在Gr/α-Al₂O₃之间形成了牢固的化学键状态，并且显着改变Gr的光学、电学和机械性能。总之，通过利用Gr作为缓冲层，为远程控制薄膜的外延生长提供了新知识。

文献链接：Atomic mechanism of strong interactions at the graphene/sapphire interface（Nature Communications,2019, DOI: 10.1038/s41467-019-13023-6）

本文由CQR编译。

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