本文档属于类型a（单篇原创研究论文），以下是针对该研究的学术报告：

二维材料中平面缺陷的修复：晶界滑移机制的原位研究

1. 研究作者、机构及发表信息

本研究的通讯作者包括Yuanyue Liu（美国德克萨斯大学奥斯汀分校）、Wu Zhou（中国科学院大学）和Kian Ping Loh（新加坡国立大学）。其他主要作者来自新加坡国立大学、中国科学院大学及美国橡树岭国家实验室。该研究于2019年发表在Advanced Materials期刊（DOI: 10.1002/adma.201900237）。

2. 学术背景

研究领域：二维过渡金属二硫化物（2D Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs）的缺陷动力学与修复机制。
研究动机：TMDCs（如MoSe₂）在电子学和量子光子学中具有重要应用潜力，但其大规模制备常因晶界（Grain Boundaries, GBs）、堆垛层错（Stacking Faults）和旋转无序（Rotational Disorder）等缺陷导致性能下降。传统方法难以完全消除这些缺陷，因此需探索原子尺度的修复机制。
关键科学问题：如何通过热激活实现二维材料中平面缺陷的动态修复？驱动缺陷修复的热力学与动力学因素是什么？
研究目标：通过原位透射电子显微镜（STEM）观察晶界滑移（GB Sliding）对堆垛层错和旋转无序的修复过程，揭示层间范德华（van der Waals, vdW）耦合的调控作用。

3. 研究流程与方法

（1）样品制备

• 材料体系：以MoSe₂为代表的双层及多层TMDCs薄膜。
  
• 生长方法：分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）在SiO₂或石墨（HOPG）基底上生长MoSe₂薄膜，通过聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）辅助转移至微机电系统（MEMS）加热芯片。
  
• 缺陷引入：自然生长过程中形成镜像孪晶界（Mirror Twin Boundaries, MTBs）和倾斜晶界（Tilt Grain Boundaries, TGBs），分别对应堆垛层错（如3R相）和旋转无序（如扭转域）。
  

（2）原位加热与原子尺度观测

• 设备：采用像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）在真空环境（压力×10⁻⁹ Torr）下进行原位加热实验。
  
• 实验条件：
  
  • 堆垛层错修复：700°C退火30分钟，追踪MTB迁移导致的3R→2H相变。
    
  • 旋转无序修复：400°C退火30分钟，观察TGB迁移对扭转域的消除。
    
• 成像技术：环形暗场成像（STEM-ADF）结合快速傅里叶变换（FFT）分析晶格取向变化。
  

（3）理论计算与机理验证

• 密度泛函理论（DFT）：计算不同堆垛构型（如2H、3R）的形成能差，揭示vdW耦合能的驱动作用。
  
• 迁移势垒分析：模拟Mo原子从四元环（MTB核心）逃逸至层间或表面的能量路径，确定晶界滑移的速率限制步骤（2.98 eV能垒）。
  

（4）数据分析流程

1. 图像处理：通过FFT滤波分离不同晶畴，量化晶界位移速率（如MTB净位移速率3.9 pm/s）。
   
2. 能量对比：比较修复前后体系的层间结合能变化，验证热力学驱动力。
   

4. 主要结果

（1）堆垛层错的修复机制

• 实验观察：退火后，3R堆垛区域（高能亚稳态）全部转变为2H堆垛（低能稳态），STEM图像显示原子对比从交错（3R）变为重叠（2H）。
  
• 驱动因素：层间vdW耦合能增益（2H比3R能量低33 meV/nm²）推动MTB滑移，MTB像“刮刀”一样将亚稳态区域转化为稳态相。
  
• 原子过程：MTB迁移由Mo原子从四元环逃逸触发，随后八元环形成并推动晶界集体滑移（图2e）。
  

（2）旋转无序的修复机制

• 实验观察：400°C退火后，扭转域（如22°旋转）通过TGB迁移转化为2H或3R堆垛；700°C进一步退火使3R转变为2H。
  
• 驱动因素：TGB的曲率应变和层间取向差导致的vdW能降低。
  

（3）异质结构的基底调控

• MoSe₂/HOPG体系：退火后，与基底取向偏差较大的晶畴（如16.5°）优先被修复，表明基底vdW相互作用可定向引导晶界滑移。
  

5. 研究结论与意义

• 科学价值：
  
  1. 揭示了二维材料缺陷修复的新机制——晶界滑移通过释放层间应变能驱动相变，而非传统三维晶体中的曲率驱动。
     
  2. 证明了层间vdW耦合在缺陷动力学中的核心作用，为设计高质量二维薄膜提供了理论依据。
     
• 应用价值：
  
  1. 提出后生长退火可作为优化TMDCs薄膜性能的普适策略。
     
  2. 为二维异质结的界面工程（如转角超晶格）提供调控思路。
     

6. 研究亮点

• 方法创新：首次结合原位STEM与DFT计算，实时捕捉晶界滑移的原子路径。
  
• 理论突破：发现二维材料中晶界迁移能垒（2.98 eV）显著低于石墨烯（5–10 eV），归因于层间间隙对Mo原子的容纳能力。
  
• 跨尺度关联：将原子尺度缺陷动力学（如Mo扩散）与宏观相变（3R→2H）直接关联。
  

7. 其他重要发现

• 单层与多层差异：单层MoSe₂中MTB仅呈现随机行走（无净位移），而双层中vdW耦合驱动定向滑移，凸显层间相互作用的关键性。
  
• 化学势影响：富Se环境可加速MTB消失，因Se化学势升高会增大MTB与完美晶格的能差。
  

此研究为二维材料的缺陷调控提供了原子级见解，并推动了其在电子器件中的应用潜力。