继石墨烯发现以来，具有丰富电子结构信息的二维材料大家族的新成员被相继发掘。其中，层状的Bi2Se3和Bi2Te3近年来被证实是一种新的量子材料——拓扑绝缘体。拓扑绝缘体是全新的狄拉克电子材料，具有绝缘性体能带结构和受时间反演对称性保护的自旋分辨的金属表面态，其特殊的电子能带结构让它们成为探索量子反常霍尔效应、磁单极子、Majorana费米子等前沿基础研究与低功耗高性能芯片等应用研究的宠儿。虽然这些材料的二维纳米结构的制备已经取得了长足的进展，但是面向未来高性能器件的二维阵列的可控制备一直是个挑战。
       北京大学彭海琳教授课题组一直致力于二维材料与器件研发，建立了拓扑绝缘体等二维纳米结构的可控生长方法，并开展其新奇物性和光电器件研究（Nature Mater., 2010, 9, 225; Nano Lett., 2010, 10, 2245; Nano Lett., 2010, 10, 2870; Nature Chem., 2012, 4, 281; Adv. Mater., 2013, 25, 5959; JACS, 2013, 135, 13274; JACS, 2015, 137, 7994; Adv. Mater.,2015, 27, 5210; JACS, 2016, 138, 16612; Nano Lett., 2016, 6, 2103）。该团队针对二维阵列的制备难题，率先发展了等离子体选区刻蚀法（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 6132）、微接触凹版印刷法（Nature Commun., 2015, 6, 6972）等方法处理生长基底，通过控制成核位点，实现了高品质二维单晶定点定向阵列的大面积范德华外延生长。最近，结合分子自组装技术，利用基底选区性的化学改性，成功实现了Bi2Se3、In2Se3等二维材料的图案化阵列生长制备（图1）。

图1 二维材料图案化生长

       作者还对二维晶体图案化的生长机理进行了详细研究。研究发现，借助PDMS印章对基底进行微接触压印，OTS分子在基底形成致密的分子自组装膜（图2a），再升温过程中，致密的单分子组装膜变成离散的颗粒（图2b，c），这些离散的颗粒充当了异相成核位点（图2d）。随着生长进行，这些离散的小“晶核”拼接形成缓冲层（buffer layer），之后的材料生长遵循二维材料常见的“层-层生长”模式（图2e，f）。与传统外延生长GaN等薄膜晶体借助GaN或AlN外延层来克服基底限制相似，该图案化方法也可以适用于不同基底（图2g，SiO2/Si），克服了基底的限制。同时，作者发现，当载气流量过大时，生成的小晶核很难拼接到一起，并且生成晶核的数目与印章的面积呈正比关系（图2h），最终可以通过调节印章大小实现单晶阵列的制备（图2i）。同先前报导的方法相比，该方法具有方法简单、材料适用范围广、图案化设计灵活、可大规模批量制备、克服基底限制等优点。

图2 图案化生长机理研究

这一成果近期发表在《ACS Nano》上，文章的第一作者是北京大学博士研究生王铭展，通讯作者为彭海琳教授。
该论文作者为：Mingzhan Wang, Jinxiong Wu, Li Lin, Yujing Liu, Bing Deng, Yunfan Guo, Yuanwei Lin, Tian Xie, Wenhui Dang, Yubing Zhou, Hailin Peng*