晶界(GBs)是影响多晶二维材料性能的重要微观结构。低对称ReS2单层膜为研究GBs的不同构型及其定向特性提供了理想的平台。近日，来自北京大学的张锦院士等研究者报道了，利用铂基纳米粒子在晶粒边缘的优先沉积，在原子尺寸研究了纳米宽重叠的晶界。相关论文以题为“Atomic-Scale Studies of Overlapping Grain Boundaries between Parallel and Quasi-Parallel Grains in Low-Symmetry Monolayer ReS2”发表在Matter上。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520305130#!
由于单层过渡金属双卤化合物在多功能纳米器件和能量采集方面的应用潜力，近年来倍受关注。最近的兴趣已经从高对称的TMDs(如MoS2、WS2)扩展到低对称的TMDs。二硫化铼(ReS2)就是一个典型的例子。它属于所有布拉维晶格中最不对称的三斜体系，采用的是一种扭曲的八面体相(1T相)，Re原子相互连接成菱形链(图1A)，从而导致奇异性质和明显的平面内各向异性。因此，低对称ReS2单层膜可以作为一个理想的平台来研究一些典型的微观结构，如晶界(GBs)和线缺陷，如何调整材料的性能，并在各向异性器件中发展应用。
由于二维材料的多晶性，即使采用最好的合成技术，也不可避免地会产生晶界，它对材料的整体性能有显著的影响。相邻晶粒可以通过两种方式连接。一种是在界面处形成原子键，留下缺陷的线性阵列(图1B)。另一种方法是将一个薄片在另一个薄片上展开，形成由范德华力耦合的双层边界区域，称为重叠晶界(图1C)。原子缝合的晶界已被深入研究，并发现改变机械强度，种植中间隙态，并影响电子输运和光致发光(PL)发射在2D材料中。相比之下，重叠晶界的研究则少得多。除此之外，晶界在二维材料中的结构研究还存在两个缺口。首先，对平行晶粒和准平行晶粒形成的界面缺乏原子水平的研究，因为即使使用衍射技术，平行晶粒和准平行晶粒形成的界面相比更难检测。其次，对具有组织良好、狭窄和干净接口的重叠晶界的研究仍然很少，这阻碍了通过设计层间原子注册表来裁剪GB属性的进展。在这项工作中，研究者利用铂(Pt)基纳米粒子在晶粒边缘的选择性吸附，在微观层面观察中很容易在低对称多晶单层ReS2中找到晶界。经像差校正的环形暗场扫描透射电子显微镜的原子分辨率研究显示了由横向位移平行晶粒构成的不同重叠晶界。计算表明，重叠晶界的电子带结构有很强的方向依赖性，表明它们在可调谐电子和光子器件中的潜力。此外，还观察到由超细扭曲角的准平行晶粒形成的不相称重叠晶界。
图2 铂基纳米粒子在单层ReS2 GBs上的选择性成核。
图3 两个平行颗粒间未连接GBs的原子构型。
图4 两个平行晶粒间亚纳米宽度重叠GBs的原子构型。
综上所述，研究者结合原子分辨率的ADF-STEM和DFT计算来研究低对称ReS2单分子层中组织良好的重叠GBs。铂基纳米粒子在GBs上的优先成核有利于快速识别重叠的GBs，在微观尺度上不存在晶粒间错向或超微小扭曲角。此外，该研究还提供了在二维半导体膜中构建具有各种电子性质的一维通道的机会，以及通过GB工程实现具有锋利界面和纳米尺度宽度的横向结的图形化，这为未来的电子和光子器件铺平了道路。（文：水生）
