石墨烯/SiC界面应变诱导二维铅相变：从条纹结构到六方相的限域效应

这篇研究通过低能电子衍射（LEED）、扫描电子显微镜（SEM）、扫描隧道显微镜（STM）等技术，系统探究了石墨烯/SiC界面限域下铅（Pb）单层的插层动力学与应变调控机制。研究发现，Pb在插层过程中形成条纹相（stripe）和六方相（hexagon）两种二维结构，其相变由基底钉扎效应与局部覆盖度（coverage）的协同作用驱动，为低维材料应变工程（strain engineering）和量子限域效应（quantum confinement）研究提供了新范式。

　　

1 引言

二维材料体系中，金属原子在石墨烯下的插层（intercalation）为调控新型结构相和电子态提供了独特平台。铅（Pb）因其丰富的相图和二维超导特性成为研究焦点，尤其在SiC(0001)衬底上外延生长的Pb单层与悬浮石墨烯的较大间距形成独特限域体系。零层石墨烯（ZLG）作为部分共价结合的碳缓冲层，其缺陷位点为插层提供反应模板，而石墨烯覆盖层不仅保护金属相，还通过边界条件改变影响Pb层的应变状态和电子重构。

2 结果与讨论

2.1 SPA-LEED表征二维Pb界面质量

通过SPA-LEED观察到准(10×10)_Gr重构斑点，其强度振荡与Pb单层-石墨烯异质结的层间距（5.95–6.39 ?）共振效应相关，证实界面结构的长程有序性。衍射峰半高宽（FWHM）仅为1%表面布里渊区（SBZ），表明应变均匀性极高。

2.2 可逆相变与插层动力学

不同退火条件（350–700°C）驱动Pb层在(9×9)_Gr至(13×13)_Gr周期性之间可逆转变。短时高温退火形成亚稳态高密度相，而长时间低温退火促进热力学稳定的松弛相。实验表明，ZLG缺陷密度决定插层效率，Pb团簇的曲率变化通过化学势梯度补偿扩散能垒。

2.3 插层过程的熔融团簇模型

室温沉积的Pb(111)岛在升温后熔化为Wulff形状团簇，其表面张力在500°C时推动插层。扫描电镜（SEM）显示团簇钉扎在ZLG缺陷位点，而脱插层过程则通过相同路径逆向进行。

2.4 LEEM与STM揭示的应变相分离

低能电子显微镜（LEEM）暗场成像显示条纹相（条纹宽度≈3.51 ?）与六方相共存。STM发现条纹相沿石墨烯锯齿方向排列，其应变模型显示Pb原子在SiC桥位与顶位间周期性偏移。六方相由三组120°旋转的条纹相叠加形成，中心原子呈现α-Pb相（晶格常数3.33 ?）特征，边界处通过位错释放累积应变。

2.5 原子尺度模型

条纹相：单轴压缩Pb(111)模型显示应变梯度从压缩行（匹配SiC(1×1)）向拉伸区过渡。六方相：对称化α-Pb晶格形成反相畴，畴界分为滑移对称（I型）和镜面对称（II型）两类。升温至450 K时，六方相畴合并为扩展α-Pb域，但相对SiC衬底存在3.7°错配，其热膨胀系数估算为4–6×10^?5。

3 结论

研究揭示了石墨烯/SiC界面Pb插层的应变驱动自组织机制：高温下形成扩展α-Pb域，冷却时通过畴界分割为六方相以优化吸附位点能量。该体系为二维金属层的应变调控和拓扑电子态研究提供了理想平台。

4 实验方法

ZLG样品通过Ar气氛中SiC热分解制备，Pb蒸发沉积后采用分级退火（350–1000°C）实现插层。SPA-LEED、SEM、STM和MAX IV同步辐射装置的LEEM联用，实现从毫米到原子尺度的多模态表征。