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在二维（2D）材料表面实现原子尺度缺陷的精确控制是一大挑战。研究人员通过离子辐照研究 HOPG 表面缺陷，发现三种缺陷类型，As+离子辐照缺陷生成效率达 97%，还引导金纳米粒子自组装。这为 2D 材料缺陷工程及纳米材料设计提供新思路。
在材料科学的微观世界里，二维（2D）材料宛如一片充满无限可能的新大陆。与传统的三维晶体不同，二维材料的表面没有悬挂键，这使得它们与外来的分子、原子或纳米粒子的相互作用十分微弱。就好比 pristine 石墨烯，对极性气态分子常常 “无动于衷”，除非对其表面进行功能化处理。然而，在二维材料的表面引入晶格缺陷，就像是为这片平静的 “湖面” 投入了一颗石子，会激起层层涟漪。这些缺陷不仅能创造出悬挂键和电偶极子，增强与入射粒子的相互作用，还在气体传感、单原子催化、量子计算以及纳米粒子或原子团簇的自组装等众多领域展现出巨大的应用潜力。
但问题也接踵而至，目前实现对二维材料表面原子尺度缺陷的精确控制困难重重。在众多制造缺陷的方法中，电子束辐照虽然能实现精确控制，但其成本高昂，样品制备过程也极为复杂；而离子辐照虽有高通量、快速和大规模的优势，但要想利用它在二维材料表面制造出特定图案的缺陷，就需要提高离子的缺陷生成效率，这又与离子的质量和入射动能密切相关，其中的奥秘还未被完全揭开。在金纳米粒子（Au NPs）的研究领域，虽然它在生物医学研究中有着不可替代的地位，比如在医学成像、肿瘤检测和传感器开发等方面表现出色，且其在基底辅助下的自组装研究也备受关注，但此前的研究却很少涉及缺陷工程在 Au NPs 组装中的作用，不同缺陷结构对 Au NPs 分布的影响也无人问津。
为了攻克这些难题，上海交通大学等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们系统地研究了离子辐照诱导高定向热解石墨（HOPG）表面缺陷的情况，利用多种先进技术深入剖析，最终收获了丰硕的成果。他们的研究成果对于建立二维材料表面缺陷工程的理论框架意义重大，也为纳米级材料设计和定向纳米粒子组装开辟了新的道路，该研究成果发表在《Applied Surface Science》上。
研究人员主要采用了扫描隧道显微镜（STM）、拉曼光谱和密度泛函理论（DFT）计算这几种关键技术方法。他们从 HOPG 上剥离出新鲜的石墨表面进行离子辐照实验，通过 STM 可以直接观察到材料表面的微观结构变化，拉曼光谱则帮助分析材料的结构和缺陷特征，DFT 计算从理论层面解释实验现象，三者相辅相成。
结果与讨论
研究人员为了探究表面缺陷的形成，用胶带从 HOPG 上剥离出新鲜的石墨表面，然后用 10 keV 硼离子以 4×1012/cm2的固定剂量进行辐照。由于 STM 的检测极限通常在 2 nm 以内，且所选离子的能量和种类不会停留在 HOPG 顶部 5 nm 内（经 SRIM 模拟数据证实），所以观察到的缺陷主要是由离子辐照引起的碰撞级联造成的。研究发现，根据离子能量和被辐照离子的质量不同，会产生三种不同类型的缺陷，分别是纳米级表面缺陷（NSD）、原子表面缺陷（ASD）和亚表面缺陷（SSD）。通过仔细调整离子质量和加速电压，他们惊喜地发现，在 30 kV 加速电压下，被辐照的 As+离子的缺陷生成效率高达 97%。这些缺陷改变了表面电位，就像在材料表面创造了一个个微小的 “引力场”，催化了金蒸气在其周围凝结成纳米粒子。研究人员还利用聚焦离子束（FIB）技术，在 HOPG 表面制造出圆形分布的缺陷图案，成功引导金蒸气凝结成相应的图案，实现了金纳米粒子的精确自组装。
结论
研究人员对离子辐照 HOPG 薄片表面的缺陷进行了深入研究。通过对不同电压下 As+和 B+离子辐照的研究，最终实现了 As+离子辐照的确定性缺陷生成。HOPG 薄片上的缺陷改变了局部电位，促进了金蒸气在缺陷周围凝结成纳米粒子。利用聚焦离子束（FIB，Ga+）技术制造特定图案的缺陷，实现了精确的自组装。
这项研究成果意义非凡。从理论层面来看，它为二维材料表面缺陷工程构建了一个全新的研究框架，让科研人员对二维材料缺陷的形成机制和调控方法有了更深入的认识。在实际应用方面，其为纳米级材料设计提供了新的思路和方法，有望推动纳米技术在电子学、医学、传感器等多个领域的进一步发展。比如在电子领域，精确控制的缺陷和自组装的纳米粒子可能会带来性能更优越的电子器件；在医学领域，金纳米粒子的精准自组装或许能为疾病诊断和治疗带来新的突破。它就像一把钥匙，为打开二维材料在多领域应用的大门提供了可能，激励着更多科研人员在这个充满潜力的研究方向上不断探索前行。
