近日，我校前沿院团队在探索二维材料曲面生长的基本规律方面取得重要进展，他们发现，二维材料在周期起伏的基底上生长会产生多种与失稳相关的生长形貌。该研究以“Growth Instability of 2D Materials on Non-Euclidean Surfaces”为题作为cover paper发表在国际纳米期刊《ACS Nano》上，第一作者是南京航空航天大学讲师胡知力，通讯作者为张助华教授，共同作者还包括薛敏珉博士、郭万林院士以及美国Rice大学的Boris Yakobson教授。

二维材料因众多优越的性能展现出了广阔的应用前景。通过控制材料形貌可有效调控其性能并导致新的应用。基底的粗糙度会产生连续起伏的曲面，因此对二维材料生长形貌的影响将更为显著，但二维材料在周期起伏的基底上的生长机制尚不清晰。该研究采用蒙特卡罗模拟方法，以石墨烯为例，以周期性的连续起伏形貌来表征生长基底的粗糙度，探索二维材料在曲面基底上的生长规律。研究表明基底的起伏会导致三种生长形貌：无缺陷贴合基底模式(conformal)、无缺陷局部悬空模式(suspension)和缺陷贴合模式(defect)。其中的缺陷形貌是由不稳定的缺口形貌(notch)演化而来，在多晶情况下悬空形貌也可能进一步引发叠层生长模式(overlapping)，从而形成实验观察到的叠层型晶界。因此，该研究总共涉及五种生长形貌（如图1所示）。

图1. 石墨烯在周期性起伏的基底上的生长示意图（中央），几种典型的形貌：缺口、贴合、悬空、叠层、缺陷（沿顺时针方向）。

该研究总结了基本生长形貌的“相图”（见图2），分析了产生这些形貌的条件和形成机理。研究指出，在具有非零高斯曲率的非欧曲面上，生长必然会在二维材料中导致面内应力。当基底起伏的波长较小，这些应力会将材料逐渐从基底表面的低洼处拉起，并随着起伏程度的增加而增加，最终将基底贴合生长模式转变为悬空生长模式；当基底起伏的波长较大且起伏程度超过临界值时，这些应力则会触发Asaro-Tiller-Grinfield生长失稳，使得生长前沿处形成缺口(notch)并导致应力集中，最终在二维材料产生拓扑缺陷。

图2. 周期性起伏基底上的“相图”。横坐标为起伏的波长，纵坐标是起伏度和波长之比。背景中的红色、白色和青色分别对应缺陷、悬空和贴合形貌。

研究特别指出，基底起伏所导致的生长应力可以引起二维材料的某些奇特的物理性质（比如500T的巨大赝磁场）。由于目前已经存在定制基底形貌的技术，因此人们可以通过控制基底起伏程度来调控所生长二维材料的物理性质。此外，该研究还给出了叠层晶界(overlapped grain boundary)现象的一种机理解释：在悬空形貌所对应的生长条件下，若两个二维材料晶粒一起生长并发生碰撞，则其中一个晶粒的生长前沿有可能被抬升至另一个晶粒上方并形成叠层。该机理有望为实验师们在实验中避免叠层晶界提供理论指导。

图3. 叠层晶界的形成机理示意图

    本工作加深了对二维材料生长机理的认识，并为通过基底形貌控制来调控二维材料的生长及物性打下了重要的理论基础，得到了两位审稿人的高度评价。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c00661