六方BN薄膜生长机理的理论研究

Hexagonal BN (h-BN) films have huge implications in controllably tuning the gap size of graphene while keeping its high mobilities, which makes BN a hotspot in physics, chemistry, and materials. However, there is plenty of difficulty in the controllable synthesis of BN with high quality, and large area. And the understanding in the growth mechanism of h-BN falls far behind that of graphene. Here, we focus on the growth mechanism of h-BN and will study the factors and rules governing the growth of h-BN. It includes: 1. Study the influences of substrate type and stacking on the alignment of BN domains in the initial nucleation by density functional theory(DFT); 2. Study the sequence of adding B/N atoms to SP2 crystals, the corresponding variations in energy, and the factors influencing the shapes of BN prepared near and/or far away from equilibrium by DFT and crystal growth mechanism; 3. Study the nucleation process of h-BN, especially the substrate influence on the size, shape, and edge types. These work will be helpful in understanding the factors influncing the growth process of h-BN, what's more important, it will provide guidance in preparing BN with high quality and understanding the phenomena observed in experiments. It will also facilitate the applications of BN and graphene as electronic devices.

六方BN薄膜在可控调节石墨烯的带隙并保持其高的载流子迁移率方面具有巨大的应用前景，这使BN在短时间内成为物理、化学和材料领域的研究热点。但可控制备高质量大面积的h-BN是个难点，对其生长机理的研究更是远远落后于对石墨烯生长的理解。本项目聚焦于h-BN生长机理的研究，从理论的角度研究h-BN生长的影响因素和规律。研究内容包括：1. 利用第一性原理研究基底的种类和堆积方式在生长初期对BN排列方向的影响； 2.结合第一性原理和晶体生长理论，研究BN生长过程中原子的生长顺序和体系能量的变化，研究在接近平衡条件和远离平衡条件下影响BN生长的因素；3. 利用第一性原理研究BN的成核过程，重点研究基底对BN的成核尺寸、形状及边缘类型的影响。该项目的开展有助于理解BN生长过程中的影响因素，为可控制备高质量的BN和理解生长过程中观察到的各种现象提供理论参考和指导，也将为促进BN和石墨烯的应用起到促进作用。

我们聚焦在二维材料的性质和生长机理，在以下几个方面取得了进展：1)研究了非支撑h-BN的边缘稳定性、边缘稳定性随化学势的变化生及其对生长形貌、性质的影响，为研究BN在金属基底上的生长奠定了基础；2)研究了金属表面对h-BN边缘的稳定性和生长行为的影响，发现在金属表面上BN稳定的边缘是带有悬挂原子的Zigzag边缘，通过设计金属基底可以调控BN边缘的稳定性和生长行为；3)研究了决定三角形h-BN岛定向排列的本质因素，发现BN边缘原子与基底的强相互作用和基底的堆垛形式共同决定了BN在金属基底上的定向排列，基于此提出了在CVD方法中用Ir(111)和Rh(111)基底制备高质量的h-BN，为设计、制备高质量的h-BN提供了理论参考；4)研究了石墨烯中的缺陷在电子束作用下的演化，发现多重度小时，小缺陷演化成能量低的Haeckelite结构，多重度大时，小缺陷倾向于聚集成大的孔洞，解释了石墨烯在电子束作用下向无定形碳转化的机理；5)与实验合作，通过设计核壳结构的前驱体实现了WS2/MoS2层间的可控生长，解释了WS2与底层MoS2同向排列为主的现象。这些工作加深了对二维材料生长机理的认识，为理解、设计制备高质量的二维材料提供了理论依据和参考。在本项目的支持下，共在国际期刊Nanoscale、Physical Chemistry Chemical Physics、Angewandte Chemie International Edition上发表5篇SCI论文。