锌单晶

碳是元素周期表中最多样化的元素之一，碳原子具有极轻的原子质量和极强的共价键，以多种杂化方式成键获得结构丰富的碳网络，其独特的π电子共轭体系展现出优异的力、热、光、电等属性。通过调节碳材料的带隙，可以使其表现出迥异的电学性质，从而在晶体管、能源存储器件、超导等领域具有广泛应用。碳材料的性能与其拓扑结构密切相关，因此，研究新的二维碳同素异形体，特别是具有带隙的新型结构，具有重要意义。 在科技部、国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心和中国科学院的支持下，郑健课题组在常压下通过简单的反应条件，创制了一种新型碳同素异形体单晶——单层聚合C60。这是一种全新的簇聚二维超结构，C60簇笼在平面上通过C-C键相互共价键合形成规则的拓扑结构。这种新型碳材料具有较高的结晶度和良好的热力学稳定性，并具有适度的禁带宽度，为碳材料的研究提供了全新的思路。 迄今为止构筑二维材料的最小单元是单个原子，纳米团簇作为基本单元构筑更高级的二维拓扑结构一直未能实现。由于碳碳成键的反应收率不是100%，且反应不可逆，因此采用传统化学反应制备二维团簇碳材料单晶几乎无法完成。郑健课题组利用掺杂聚合-剥离两步法，成功制备了单层二维聚合C60单晶，获得了确凿的价键结构。通过调节镁（Mg）和C60的比例，在常压条件下制得了两种紧密排列的准六方相和准四方相的Mg插层聚合物单晶，通过新的有机阳离子切片策略，使用四丁基水杨酸铵作为切割试剂，从准六方相结构中剥离得到单层C60聚合物。单晶XRD和STEM证明了C60之间通过C-C桥连单键和[2+2]环加成的四元环桥连键在平面内连接形成了一种全新的二维拓扑超结构。单层聚合C60的带隙约为1.6 eV，是典型的半导体，预示着其在光/电半导体器件中具有广阔的潜在应用。该结构具有良好的热力学稳定性，在约600 K（326.85℃）下仍旧稳定存在。由于不对称成键结构，这种新的碳材料具有显著的平面各向异性，表明该材料在非线性光学和功能化电子器件方面具有巨大应用前景。相关研究成果发表在Nature（https://www.nature.com/articles/s41586-022-04771-5）上。侯凌翔博士为论文第一作者，郑健研究员为通讯作者。 图a：准六方聚合C60的单晶结构示意图。每个C60与周围6个C60通过C-C共价键相连。 图b：单层聚合C60的STEM图片，C60笼簇在STEM图片中显示为圆环。

【研究背景】氮化硼（hBN）是一种具有绝缘特性的二维层状材料，因其独特的物理和化学性质而成为研究热点。这些性质使得hBN在各种前沿应用中展现出潜力，例如与其他二维材料结合形成的范德华异质结构，可用于魔角系统、超导性研究以及神经形态纳米器件等。然而，目前大多数hBN的应用依赖于机械剥离得到的薄片，这限制了其大规模应用和商业化发展。为了解决这一问题，材料科学家们致力于开发高质量、可扩展的氮化硼薄膜合成方法，尤其是通过化学气相沉积（CVD）技术来实现大面积、高质量的单晶hBN薄膜的生长。近期的研究表明，采用传统的三角形hBN岛屿生长方法，已成功在铜（Cu）和镍（Ni）基底上获得大面积的hBN单层和多层薄膜，但在形态工程上仍然存在挑战。针对这一问题，南洋理工大学材料科学与工程学院Bo Tian、沙特阿拉伯科技大学（KAUST）物理科学与工程学院Xixiang Zhang等课题组携手提出了一种新方法，通过合并良对齐的非常规六边形hBN岛屿，在Cu(111)箔上成功生长出高质量的单晶单层hBN薄膜。研究结果表明，这种方法不仅提高了hBN薄膜的晶体质量和介电性能，而且使得薄膜在层厚和单晶性方面表现出色。该研究为氮化硼的合成提供了新的思路，为其在后硅应用中的潜力奠定了基础。【表征解读】本文通过共聚焦拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）、导电原子力显微镜（CAFM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等多种表征手段，对氮化硼（hBN）薄膜的生长特性及其界面性质进行了深入研究，从而揭示了hBN薄膜的高晶体质量和优良介电特性。拉曼光谱分析提供了hBN单层的特征峰，验证了其单晶特性和薄膜的均匀性，而SEM和EBSD则通过表面形态和晶体取向的表征，显示出hBN岛屿的生长机制及其与基底之间的相互作用。针对hBN薄膜中不同边缘现象的观察，本文利用导电原子力显微镜（CAFM）探测了电流分布特征，揭示了其导电性与材料缺陷之间的关系。此外，通过TEM的高分辨成像，我们能够直接观察到hBN与铜基底的界面结构，深入了解了其晶体质量和界面相互作用的微观机理。采用电子能量损失光谱（EELS）对界面化学成分进行分析，进一步确认了hBN/Cu界面的化学特性，这为理解材料的电气性能提供了重要依据。在此基础上，通过多种表征手段的结合，研究结果显示出大面积、单晶hBN薄膜的优越性能，尤其是在高频电子器件和神经形态计算中的应用潜力。通过SEM和AFM的联合应用，我们成功地绘制了hBN薄膜的表面形貌和电流分布图，表明该材料具有良好的均匀性和稳定性，适合于未来纳米电子器件的构建。总之，经过系统的拉曼光谱、SEM、CAFM、TEM和XPS表征，我们深入分析了氮化硼薄膜的生长特性、结构质量及其与基底的界面性质。这些表征不仅揭示了hBN在微观层面的重要特性，还促进了新型高质量二维材料的制备，推动了后硅时代电子器件的发展。本文的研究结果为进一步探索hBN及其异质结构在新兴电子和光电应用中的潜力奠定了坚实基础。Cu(111)基底上氮化硼（hBN）岛屿的三角形和六角形形状参考文献：Li, J., Samad, A., Yuan, Y. et al. Single-crystal hBN Monolayers from Aligned Hexagonal Islands. Nat Commun 15, 8589 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52944-9

低维磁性材料具有非常丰富和奇特的物理性质，且与多铁性和高温超导电性等材料密切相关。对低维磁性材料的物理性质进行研究有助于探索相关奇异现象的根本机制，从而对寻求新的功能材料提供帮助。因此，近年来关于低维磁性材料的研究吸引了科学家们的广泛关注。近日，德国马普固体化学物理研究所的学者A. C. Komarek等人[1,2]在准一维伊辛自旋链材料CoGeO3中发现了非常明显的1/3磁化平台，并通过中子衍射手段详细探究了其微观自旋结构。研究表明，初的零场反铁磁自旋结构的变化，类似于反铁磁“畴壁边界”的形成，从而产生一种具有1/3整数传播矢量的调制磁结构。净磁矩出现在这些“畴壁”上，而所有反铁磁链排列的三分之二仍然可以保留。同时A. C. Komarek等人也提出了一个基于各向异性受挫方形晶格的微观模型来解释其实验结果。更为详细的报道可参考相关文献[1,2]。A. C. Komarek等人所用的CoGeO3单晶样品由高压光学浮区法单晶炉(型号：HKZ, 制造商：德国ScIDre公司)制备获得[2]，文章中报道的CoGeO3单晶生长参数为：Ar/O2混合气（比例98:2），压力80 bar，生长速度3.6 mm/hour。CoGeO3单晶实物图片 引自[2] 德国ScIDre公司推出的HKZ系列高温高压光学浮区法单晶炉高可实现3000℃及以上的生长温度，晶体生长腔大压力可达300 bar，可实现10-5 mbar的高真空环境，适用于生长各种超导材料、介电材料、磁性材料、电池材料等各种氧化物及金属间化合物单晶生长。德国ScIDre公司推出的HKZ系列高温高压光学浮区炉外观图 参考文献：[1] Emergent 1/3 magnetization plateaus in pyroxene CoGeO3, H. Guo, L. Zhao, M. Baenitz, X. Fabrèges, A. Gukasov, A. Melendez Sans, D. I. Khomskii, L. H. Tjeng, and A. C. Komarek, Phys. Rev. Research 3, L032037[2] Single Crystal Growth and Physical Properties of Pyroxene CoGeO3，Zhao, L. Hu, Z. Guo, H. Geibel, C. Lin, H.-J. Chen, C.-T. Khomskii, D. Tjeng, L.H. Komarek, A.C. Crystals 2021, 11, 378.