在此，美國斯坦福大學崔屹教授，Harold Y. Hwang教授和Robert Sinclair等人將外延的概念擴展到“扭曲外延”的狀態，兩個基底之間的脫層晶體取向受到其相對取向的影響。具體來說，作者在兩個剝離的六角形二硫化鉬（MoS2）基底之間退火了納米厚度的金（Au）納米顆粒，其基面取向不同，相互扭曲的角度從0°到60°不等。透射電鏡研究表明，當雙分子層的扭轉角較小（<~7°）時，Au位于頂部和底部MoS2之間。對于較大的扭轉角，Au只有取向偏差很小，底部MoS2與雙層MoS2的扭轉角近似呈正弦變化。此外，采用四維掃描透射電子顯微鏡分析進一步揭示了與扭曲外延相關的金納米盤的周期性應變變化（<|±0.5%|），與兩個MoS2扭曲層的Moiré一致。
相關文章以“Twisted epitaxy of gold nanodisks grown between twisted substrate layers of molybdenum disulfide”為題發表在Science上。
研究內容本文探索了兩個扭曲襯底之間的外延機制，或“扭曲外延”，其中兩個襯底都與生長的晶體外延層相互作用并影響其晶體學，這種方法允許將兩個襯底的相對取向用作結構控制參數。本文探索了2D vdW材料作為候選襯底，它們可以很容易地機械堆疊以形成用于限制原子和分子的納米級分離。盡管已經報道了石墨烯vdW材料之間納米級間隙中晶體的生長，但這些研究并未檢查兩種襯底在扭曲外延狀態中的影響。例如，通過石墨烯封裝在室溫下穩定了僅存在于645至675 K溫度范圍內的單層β-CuI，但合成的β-CuI相對于石墨烯扭曲雙層的取向尚未得到充分研究。為了制造二維低熔點金屬，Briggs等人使用碳化硅（SiC）作為模板，頂部使用外延石墨烯（EG）代替雙層石墨烯（0001）。將金屬原子（Ga、In和Sn）嵌入EG和SiC的界面中，以產生三原子層厚度的二維超材料。這些二維金屬被認為不與頂部石墨烯層鍵合，而是與下面的Si原子共價鍵合，因此僅與SiC晶體具有外延取向。作者使用二維二硫化鉬（MoS2）作為兩種基材，金（Au）作為扭曲的外延層。Au和硫 （S）原子之間的化學相互作用比傳統的vdW相互作用強得多，但比共價鍵弱。這種結構不僅可以穩定2D Au，還可以調整其方向。先前對單晶MoS2的研究表明，面心立方（fcc）緊密排列的Au平面（{111}）與六方MoS2平面（{001}）之間存在外延關系。通過透射電子顯微鏡（TEM）和選擇區域電子衍射（SAED）模式測定了Au的形貌和界面取向。沉積的金表現出3D納米島的形態，典型尺寸為20 nm，厚度為8 nm（圖1A）。通過傳統的薄膜沉積技術合成和利用超薄金的能力受到其在許多表面（包括MoS2）上較差的潤濕特性的限制對于薄層（標稱厚度為<1 nm），形成Au外延納米顆粒（NPs）；實際上，較高的表面積有利于NPs而不是連續薄膜。在外延MoS2-Au 系統，Au具有fcc晶體結構，具有[111]軸，而MoS2具有六邊形結構（P63/mmc），并且沿其[001]軸是六重對稱的。MoS2上外延Au的SAED如圖1B所示，其中Au{220}電子衍射斑點和MoS2{110}光斑外延排列，并通過倒數晶格矢量?ga連接，平行Au {220}面（0.144 nm）與MoS2的{110}平面 （0.158 nm）晶格失配產生間距為 |?ga|-1等于1.63 nm（圖1C），可以在明場TEM圖像中觀察到。圖1. 扭曲外延納米片作者試圖合成超薄的2D金納米盤，并研究其在物理制備的雙層MoS2中的取向。MoS2-Au-MoS2夾層結構的合成過程示意圖如圖1D所示。首先，使用“透明膠帶”方法將大小為50mm、厚度為~25nm厚的薄片剝離到的非晶SiNx TEM網格上。接下來，使用電子束蒸發法將Au沉積在剝離的MoS2上，其標稱厚度設置為0.3 nm。透射電鏡成像顯示，與預期的一樣，Au形成了直徑~為3.5nm的外延NPs。隨后，Au被第二層剝離的MoS2層物理包裹，其取向（θm）旋轉范圍從0°到60°不等。最后，將合成的MoS2-Au-MoS2樣品在300°和700°C的管式爐中進行退火，以促進Au NPs在兩個MoS2襯底之間的原子重排。通過平面圖透射電鏡表征，發現原始的外延Au NPs在退火后成為納米盤，其原始的外延取向（θa）被上MoS2層的取向所改變（圖1E），這是通過電子衍射（圖1F）和Moire圖像分析（圖1G）所證實。圖2. Au納米盤的合成、排列和厚度圖3.?Au納米盤與MoS2旋轉角的關系圖4.?DFT計算圖5.?4D-STEM應變分析綜上所述，Au和MoS2扭曲的外延結構的發現為利用先進的電子顯微鏡研究2D材料的結構功能提供了可能性。其中，透射電鏡Moiré模式圖像是參與晶體的原子匹配和不匹配的表示。周期性與兩種材料的原子匹配直接相關，兩種材料的變化可能影響復合物理性質，如帶結構、Au和MoS2的電子和光學性質等。此外，扭曲外延意味著使用范德華間距疊加雙層的2D材料，作為納米反應器限制了材料生長和調整晶體形態、取向，方向和晶格應變，表明雙層取向可以作為一個額外的參數來控制封裝原子的結構和屬性。Yi Cui, Jingyang Wang, Yanbin Li, Yecun Wu, Emily Been, Zewen Zhang, Jiawei Zhou, Wenbo Zhang, Harold Y. Hwang, Robert Sinclair, and Yi Cui, Twisted epitaxy of gold nanodisks grown between twisted substrate layers of molybdenum disulfide, Science?(2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5947
