单层MoS2中位错介导晶粒生长的原子尺度动力学

《Advanced Science》：Atomistic Kinetics of Dislocation-Mediated Grain Growth in Monolayer MoS2

　　

二维材料中的晶界（GBs）是由位错阵列构成，其强烈影响电子、光学、力学与输运性能。在单层MoS2中，Mo 5|7与S 5|7位错核的结构虽已确立，但二者迁移率差异如何控制GB迁移与晶粒生长仍不清楚。研究人员直接在单个位错核层面成像并量化了多晶单层MoS2中的GB迁移率。原子尺度原位加热研究表明，可动GB仅由Mo 5|7位错构成，而不可动GB含有S 5|7扭折位点从而抑制GB运动。暗场透射电子显微镜（DF-TEM）晶粒生长测量显示可动GB驱动快速粗化，而S 5|7钉扎的不可动GB停滞微观结构演化。分子动力学（MD）模拟将该迁移率反差关联于Mo 5|7与S 5|7核周围不同的局域力学与能量环境，从原子尺度揭示了迁移动力学差异的起源。这些发现建立了单层MoS2中GB演化的结构-动力学-生长直接关联，并展示了广泛适用的原位电子显微平台用于探测二维材料中缺陷驱动的微观结构动力学。

研究背景与立项依据：多晶单层MoS₂由取向差晶粒及其间晶界（GB）组成，GB作为最小伯氏矢量元素5|7位错核（Mo─Mo或S─S同元素键位于共享5|7环边）阵列，局域破坏晶格连续并调制物性。既往研究多聚焦GB热力学形成、结构辨认与电子态后果，密度泛函理论（DFT）预言Mo 5|7滑移势垒低、S 5|7势垒高，但缺乏将单个位错轨迹、局域键合/应力环境与实时热驱动迁移直接联系的实验框架；束敏感二维半导体中原子尺度GB运动测量尤为稀缺。为此，研究人员在《Advanced Science》报道的工作建立结构-动力学-生长关联，揭示位错化学如何支配GB迁移与晶粒生长。

主要关键技术方法：研究人员采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在650°C分别以富Mo与贫Mo条件生长单层MoS₂样品；以DF-TEM跟踪6–24 h晶粒演化并借选区电子衍射赋色取向；用高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）辨认Mo 5|7/S 5|7核构型；构建h-BN（氮化硼）/MoS₂/h-BN全封装结构转移至MEMS加热芯片，在80 kV、650°C下做原位加热STEM，并以自监督SHINE去噪与归一化互相关模板匹配追踪单个位错；辅以LAMMPS平台REBO势MD模拟（300 K平衡后923 K采样）计算累计非仿射位移D_cum，并用CASTEP（PBE-GGA）做LST/QST滑移势垒定性比对。

研究结果：

2 Results

晶粒生长行为（图1）：DF-TEM显示富Mo条件样品GB可动，平均晶粒半径持续增大至24 h的1.56 μm；贫Mo条件GB不可动，半径恒约0.088 μm。抛物线生长律拟合得可动GB指数n=1.98、速率常数K=0.152 μm^1.98/h，不可动GB n=0，证实GB迁移率决定宏观粗化。

可动与不可动GB结构定义（图2）：HAADF-STEM表明可动GB为纯Mo 5|7周期阵列、迹线平滑、倾转角θ_t≈22°；不可动GB为Mo 5|7直段与S 5|7扭折混合、呈锯齿形。S 5|7位于扭折位，打断连续Mo 5|7阵列形成钉扎中心。

原位加热STEM实时动力学（图3）：650°C下可动GB中Mo 5|7依次爬升与滑移，50 min内整体平移；不可动GB中S 5|7全程静止，邻位Mo 5|7仅瞬态可逆微动。S 5|7作强钉扎点抑制协同传播。

MD位点分辨响应（图4）：Mo 5|7核位点3（Mo─Mo键区）D_cum达156.8 nm，显著激活（Mann–Whitney U检验p<10^?10）；S 5|7无等价热点，D_cum分布低且均匀。Mo 5|7经位点3耦合位点4滑移、耦合位点2爬升重建键合而迁移；DFT定性复现Mo 5|7较低滑移势垒。

3 Discussion

讨论部分总结：研究人员指出，工作把理论计算的位错迁移势垒差异推进到实验可见的位点分辨动力学，证明GB流动性不单由θ_t决定，而由位错核化学与空间排布决定。h-BN封装原位STEM平台虽或改变绝对速率，但在同等条件下评判相对迁移趋势、缺陷愈合与相界运动具普适价值。通过调控特定缺陷单元（如抑制S 5|7引入）而非把GB当均质界面，可设计力学强度与热输运定制微观结构。

结论译文：本研究为多层单晶MoS₂中GB演化建立了直接的结构-动力学-生长关系，表明仅含Mo 5|7位错的GB结构平滑且动力学可动，含S 5|7位错的GB发育扭折形态并强钉扎。微观上可动GB驱动快速晶粒粗化与GB消除，不可动GB维持细晶停滞。原位加热STEM直接揭示Mo 5|7位错热激活滑移与爬升呈链状协同，S 5|7有效不动并中断邻位错协同传播。MD模拟甄别Mo 5|7核内强激活内位点为其高迁移率提供原子尺度解释，S 5|7较均匀弱响应致其钉扎特征。该工作超越既有理论认知，将位点分辨位错动力学与真实生长条件下微观结构演化直接连通，所展示h-BN封装原位STEM平台为高温原子尺度缺陷过程追踪提供技术基底，对二元二维材料（h-BN、WSe₂、MoSe₂、PtSe₂）具推广意义。