原子尺度下二维纳米材料的原位结构工程

《Materials Science and Engineering: B》：In situ structural engineering of two-dimensional nanomaterials at atomic scale

二维材料结构工程与透射电镜调控技术研究。随着摩尔定律放缓，二维材料凭借原子级厚度和可调物理特性成为下一代半导体器件重要候选。本文系统综述了利用透射电子显微镜（TEM）进行二维材料在平面（缺陷、异质结、边界调控）和垂直（层间距、厚度、离子插层、折叠调控）方向的结构工程研究进展，分析电场、热场、电子束等外部场对材料结构的动态调控机制，并探讨高分辨TEM在三维形貌重构和原位视频观测中的应用潜力。

　　随着半导体技术的持续发展，硅基金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的微型化遵循着摩尔定律多年。然而，随着器件尺寸的不断缩小，沟道和栅极介质层逐渐接近其物理极限。这促使了对新型材料的探索，尤其是二维（2D）层状材料，因其原子级的厚度和丰富的物理特性，被认为是下一代晶体管的有前途候选材料。二维材料不仅具备优异的导电性、光学性能、磁性和化学特性，而且在特定条件下可以表现出超导性等特殊性质。这些材料的结构特征与其物理性能密切相关，厚度、边缘配置以及层内和层间结构等参数对二维材料及其器件的电学、光学、磁性和化学性能具有显著影响。

在材料合成过程中，设计特定的结构并进行相应的结构工程是实现多功能性的关键。然而，随着器件尺寸的缩小，界面的比例逐渐增加，而界面结构如平面缺陷和边界配置对器件性能的影响也变得不可忽视。特别是对于单层二维材料而言，其整个结构都位于界面，因此界面的结构特性成为决定其性能的重要因素。此外，由于尺寸效应，二维材料内部的纳米结构也表现出独特的物理特性，有时会导致器件失效。目前，传统的合成和制备方法如掺杂和异质合成在实现对这些结构的精细控制方面仍存在局限性，例如对点缺陷、晶界、边缘等结构的调控能力不足。因此，研究二维材料中结构的形成机制，并实现高精度的结构工程，对于提升其性能和拓展其应用具有重要意义。

然而，这些超小结构的纳米尺度使得精确定位和观察变得困难，这进一步阻碍了对它们进行直接和有效的控制。为了克服这一挑战，高分辨率的透射电子显微镜（TEM）成为研究二维材料结构的关键工具。TEM具有原子级的空间分辨率和能量分辨率，能够对二维材料的原子结构、化学成分和价态进行精确探测。近年来，随着技术的进步，TEM的分辨率已经提升到亚埃级别，并且在低加速电压下能够减少对敏感材料的损伤。这一技术的突破使得对二维材料的结构调控成为可能。

高分辨率TEM不仅能够提供二维材料的微观结构信息，还能够通过获取样品的倾斜二维投影，实现三维形貌重建。此外，TEM的时间分辨率也得到了显著提升，直接电子探测器的应用使得实时视频记录成为可能，这对研究材料在动态过程中的结构变化至关重要。随着薄膜制备技术和微机电系统（MEMS）技术的发展，TEM现在能够在特定位置施加外部场，如力、热、光、电、液体和气体，从而实现对二维材料的高精度结构工程。这些外部场的精确控制为二维材料的结构设计和性能优化提供了新的平台。

本文综述了近年来利用原位透射电子显微镜（in-situ TEM）对二维材料进行结构操控的研究进展。重点探讨了平面结构工程和垂直结构工程两个方面。平面结构工程包括对二维材料内部缺陷、异质结、边界等结构的调控，而垂直结构工程则涉及层间间距、厚度、离子插层、折叠等维度的精确控制。这些结构工程可以通过多种外部场在TEM中实现，如电子束探针、纳米探针、电场、热场等。此外，本文还分析了这些结构工程背后的机制，如相变、原子重构动力学等，为理解合成策略提供了新的视角。

在平面结构工程方面，二维材料的内部缺陷和边界结构对材料的性能具有重要影响。通过原位TEM技术，研究人员能够实时观察和操控这些结构，从而优化材料的性能。例如，通过调控缺陷的类型和分布，可以改变材料的电导率和热导率；通过设计特定的边界结构，可以实现异质结的形成，从而提升材料的光吸收和电荷传输能力。这些调控手段不仅有助于理解二维材料的结构-性能关系，还为未来器件的设计和制造提供了理论依据和技术支持。

在垂直结构工程方面，二维材料的层间结构调控更加复杂。由于层间间距和厚度的变化会显著影响材料的物理性能，因此需要更高精度的控制手段。通过应用外部场，如电场和热场，可以在特定位置实现对层间结构的调控。例如，电场可以诱导二维材料的层间重构，而热场则可以促进材料的折叠和离子插层。这些调控手段不仅能够改变材料的结构特性，还能够影响其电学、光学和磁学性能。此外，离子插层技术可以实现对二维材料的化学调控，从而提升其在特定应用中的性能。

在实际应用中，TEM的高分辨率和高能效使得其成为研究二维材料结构的关键工具。通过高分辨率成像、电子能量损失谱（EELS）和能谱X射线分析（EDS）等技术，TEM能够精确识别二维材料中的掺杂剂、空位、晶界和异质界面。这些信息对于理解材料的性能和优化其结构具有重要意义。随着MEMS平台和薄膜制备技术的不断发展，TEM的应用范围也在不断扩大，为二维材料的结构工程提供了更多可能性。

在未来的展望中，TEM技术的持续进步将为二维材料的结构调控提供更强大的支持。随着多种物理场的引入，TEM不仅能够实现对材料的精确观察，还能够提供更丰富的操控手段。这种“观察-控制-测量”一体化的实验平台将有助于深入研究二维材料的结构-性能关系，并推动其在电子、光电子、能源和生物医学等领域的应用。此外，TEM技术的发展还将促进对新型二维材料的探索，为下一代高性能器件的设计和制造提供理论依据和技术支持。

综上所述，二维材料因其独特的物理特性和结构优势，被认为是未来电子器件的重要候选材料。然而，实现对这些材料的高精度结构工程仍然是一个重大挑战。透射电子显微镜（TEM）凭借其原子级的分辨率和多种外部场的精确控制能力，成为研究和调控二维材料结构的重要工具。通过原位TEM技术，研究人员能够实时观察和操控二维材料的结构，从而优化其性能并拓展其应用。未来，随着TEM技术的不断进步，二维材料的结构工程将更加精确和高效，为电子器件的发展提供新的机遇。