利用球差校正透射电镜表征磷烯的原子和电子结构

Structure-property correlation on the atomic scale is one of the fundamental issues in the research of 2D atomic crystals.We will focus on phosphorene-an novel 2D semiconductor in this project. By employing the state-of-art aberration-corrected S/TEM, EELS and other associated techniques, we are planning to determine the sample thickness, ripples and lattice atoms. Special efforts will be directed to study the impact of structural defects (like topological defects and grain boundaries) on the local structures and electronic structures of phosphorene, and the stability of these defects as well. Novel methods based on enegetic ion and electron irradiaiton to tailor the structure of phosphorene, such as the formation of nanoribbons and atomic-chains will also be proposed. Up to now, we have demonstrated the first successful experimental approach to fabricate monolayer phosphorene and its Raman spectroscopy characterizations.We have also established a solid background and accumulated rich experience from our past research on studying other 2D materials like graphene, hexagonal boron nitride and molebdeum disulfide with advanced electron microscopy and EELS. Currently, there are two aberration-corrected S/TEMs installed in the Center of Electron Microscopy of Zhejiang University, where our group is located. These two microscopes will fulfill most of our needs on the planned work in this project. After four-years hard-work as supported by this grant, we wish to accomplish a series of important research resuts with high originalities ,including publish 10+ papers on high-impact journals (imptact factor > 7) and become one of the leading groups in the community on studying the microstructures of phosphorene.The results and knowledge gained from this project will be essential for the application of phosphorene as a building block of future nanoelectronic and nanooptoelectronic devices.

原子尺度的结构-性能关联表征是二维原子晶体研究中的重要基础之一。本项目立项针对磷烯这一新型二维半导体材料，拟采用球差校正电镜成像 和电子能量损失谱在内的多种显微表征技术，确定层厚和层内起伏，完成本征结构原子分辨表征。研究结构缺陷和掺杂对磷烯局域原子结构的影响，及其稳定性研究。利用动量分辨高能量分辨电子能量损失谱研究材料的各向异性对其电子结构的影响，研究结构缺陷和掺杂对磷烯性能的调制。基于离子和电子束辐照结构加工方法制备磷烯的新结构-纳米带等及其边缘结构调控。目前课题组在单层磷烯的制备和拉曼表征上已取得重要前期进展，在石墨烯、六方氮化硼和二硫化钼的原子分辨结构和电子结构表征方向具有很好的工作基础，所在的浙江大学电镜中心已引进两台本项目开展所需的球差校正电镜。我们希望通过四年时间的努力，在磷烯的原子尺度表征方向上取得一系列重要的原创性成果，发表影响因子大于7以上的论文10篇以上。

本项目（经费号51472215）主要是基于先进电子显微表征手段，以原子层厚层状黑磷材料（磷烯）作为重点，研究其原子和电子结构。重点目标是磷烯的缺陷表征、缺陷的扩散和稳定性、磷烯的带隙及电子结构的各向异性、以及磷烯基新型结构如纳米带、原子线的精确可控构筑等。取得的主要研究成果有：.1..发展了一套基于干法剥离+可控电子束辐照+原位加热的方法，实现了黑磷材料的层数可控、表面干净电镜样品的制备，虽然还存在一定的问题（主要是辐照损伤的机理和可控，后续详细展开），这使得原子分辨结构表征、结构调控等成为可能。.2..以单层和薄层磷烯作为模型体系，发现空位是其中最常见、最重要的结构缺陷。利用原位高分辨成像手段，研究了空位、空位团簇(cluster)和线空位（各项异性缺陷）的形成、扩散和迁移，定量确定出空位的形成能、迁移势垒等。进一步通过和理论计算小组合作，揭示了空位缺陷对磷烯的电子结构和性能的影响和调制。.3..利用电子束辐照原子尺度精确加工，构筑基于磷烯的新结构，如一维磷原子链、磷纳米带。.4..发展了一套基于电子衍射、TEM和角度分辨输运特性联动表征的方法，确定无疑地揭示出层状黑磷材料结构各项异性对其拉曼光谱、电学输运的决定性影响。.5..本项目共发表标注了项目基金号(51472215)论文26篇，其中影响因子大于7的论文16篇，其中包括Nature Communications 2篇，Nano Letters 3篇， Advanced Materials 3篇，Advanced Functional Materials 1篇, Nano Research 3篇 , App. Phys. Lett. 1篇等，截至2018年底总引用856次。其中一篇论文入选2015年度中国百篇最具影响国际学术论文。课题负责人入选2018年Clarivate Analytics全球高被引学者（交叉领域）。项目执行期内共培养毕业博士5名，硕士2名，其中洪金华、卢旺林分别获得2015年度国家博士生、硕士生奖学金，费震的硕士论文《二维材料的定量电子衍射及电子显微镜中的自动化数据处理》获得2017年浙江省优秀硕士论文在项目组全体成员的共同努力下，顺利完成了项目的预期目标。