借助先进的真空互联技术，我们发挥自身在表面科学领域中的积累和优势，开展了基于表界面调控的二维材料气氛可控（准）原位制备、生长动力学及表界面小分子催化反应研究，相关成果发表在Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Lett., J. Phys. Chem. Lett., Carbon, Nano Res., Applied Phys. Lett., J. Phys. Chem. C等权威期刊。
图1. 二维材料发表论文及数据简析
为此，课题组主要使用低能电子显微镜（LEEM）和光电子显微镜（PEEM）原位探究金属单晶表面二维材料及其异质外延生长过程。得益于原位成像优势，我们确认了其动态生长机制，发现二维材料与金属表面之间的界面相互作用是生长动力学的关键因素，而晶格匹配也是值得考虑的另一重要因素，两者共同决定了生长动力学。
在气氛可控制备方面，我们开发了与CVD管式炉真空互联的动态成像设备光发射电子显微镜系统（PEEM-CVD），结合NAP-XPS和NAP-STM，能够实现超高真空、近常压至常压条件下的二维材料（准）原位动态生长及其动态成像、原子结构和谱学表征。（1）通过调控在Ni(111)薄膜近表层的溶碳量，采用两步偏析法，实现了均匀双层石墨烯的上逐层生长（即Frank-van der Merwe生长模式）、以及薄膜均匀性和堆垛结构的精准控制。同时，结合动态成像和DFT理论计算，从动力学的角度给出了合理化的解释。该工作加深了对层状材料均匀性控制的理解，为大面积均匀双层或多层材料的构建提供了一种可借鉴的原位生长方法（J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 11201−11207）。（2）针对水、氧敏感且需要较高生长压力的二维薄膜材料，我们发挥真空互联CVD的优势，在常压条件下于CuNi表面生长出了本征的超薄B薄膜，并在生长完成后通过真空管道传样至其他互联设备进行即时特性表征。借助水、氧气氛条件下的NAP-XPS和AFM原位表征，首次发现了基于金属基底催化的B薄膜超快汽化现象，结合样品深度成分分析（TOF-SIMS测试）与理论计算揭示了界面B先氧化后形成高挥发性的硼酸的两步汽化机制。该研究极大地拓展了对硼表面化学的基本认知，同时为水、氧敏感材料的常压化学气相沉积法生长和特性研究提供了很好的研究范例（Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2210729-2210738.）。
在生长动力学机理研究方面，我们采用以原位动态成像（PEEM）为核心的真空互联技术，聚焦于生长过程中的成核、长大、拼接等基础科学问题，旨在揭示其微观动力学机制，为高质量二维材料的合成提供指导。（1）近表层Ar纳米气泡对Ru(0001)表面上石墨烯生长动力学的调控。近表层Ar纳米气泡的引入，能够显著削弱基底表面“台阶限制”作用和“薄膜-基底”界面相互作用，提供了类似液态基底freestanding的环境，实现了“各向异性”向“各向同性”生长模式的转变，在此基础上观测到前所未有的拼接过程中的生长加速现象，并且实现了石墨烯岛之间的无缝拼，为制备大面积单晶石墨烯提供了新的思路（Nano Res. 2022, 15, 2706-2714. 封面文章）。（2）基于金属衬底中的近表层硼的氨化生长方法原位可控制备h-BN，相对传统的CVD生长方法，增加的前驱体的扩散势垒，降低了生长速率，有助于形成外延结构，并且其生长机制由“反应控制”（Reaction-limited Aggregation, RLA）转变为表面“扩散控制”（Diffusion-limited Aggregation, DLA）机理（J. Phys. Chem. C 2021, 125, 43, 23929–23936.）。（2）在二维材料异质结的拼接动力学方面，我们提出了以O2在薄膜材料与金属界面的插层作为探针反应探测h-BN/graphene异质结的拼接方式的新方法，揭示了较弱的“薄膜-基底”相互作用能够促进h-BN/graphene畴界的外延拼接，有利于大面积单一取向的异质结的形成 （Carbon 2021, 177, 19-25.）。
代表性文章列表：
- 1. Shizhuo Liu#, PeiChi Liao#, Wei Wei#, Erxun Han, Yunkun Wang, Huifeng Tian, Ruijie Li, Jiaqi Pan, Chi Zhang, Hao Li, Yifei Li, Zhixin Yao, Zhengjiang Li, Lina Yang Zhang, Zhiyun Li, Rong Huang, Yunan Gao, Junjie Guo, Ji Chen, Yi Cui, and Lei Liu. Room-temperature metal-catalyzed ultrafast gasification of ultrathin boron flakes. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2210729-2210738. (Nature Index, SCI一区)
- 2. Wei Wei#, Chi Zhang#, Haobo Li, Jiaqi Pan, Zhen Tan, Yajuan Li, Yi Cui*. In-Situ Growth Dynamics of Uniform Bilayer Graphene with Different Twisted Angles Following Layer-by-Layer Mode. J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 11201−11207. (Nature Index, SCI一区)
- 3. Wei Wei, Jiaqi Pan, Haiping Lin, Chanan Euaruksakul, Zhiyun Li, Rong Huang, Li Wang , Zhu-Jun Wang*, Qiang Fu*, Yi Cui*. Growth, Coalescence, and Etching of Two Dimensional Overlayers on Metals Modulated by Near-Surface Ar Nanobubbles. Nano Res. 2022, 15, 2706-2714. (SCI一区，封面文章)
- 4. Jiaqi Pan, Wei Wei*, Rui Wang, Zhongmiao Gong, Chi Zhang, Yi Cui*. An Ammonization-Based Transformation of Hexagonal Boron Nitride on Ir(111) from Surface to Near-Surface Regions. J. Phys. Chem. C 2021, 125, 43, 23929–23936. (SCI二区)
- 5. Jiaqi Pan, Wei Wei*, Zhongmiao Gong, Yi Cui*. Effect of Overlayer–Substrate Interaction on the Coalescence Behaviors of In-Plane Graphene/Hexagonal Boron Nitride Heterostructures. Carbon 2021, 177, 19-25. (SCI一区)
- 6. Li Jin, Changbao Zhao, Zhongmiao Gong, Jiaqi Pan, Wei Wei*, Guoqing Wang*, Yi Cui* Hydrogen -Promoted Graphene Growth on Pt(111) via CVD Methods. Surf. Interfaces 2021, 26, 101383. (SCI二区)
- 7. Wei Wei, Jiaqi Pan, Chanan Euaruksakul; Yang Yang; Yi Cui*; Qiang Fu; Xinhe Bao*. Dynamic Observation of In-plane h-BN/graphene Heterostructures Growth on Ni(111). Nano Res. 2020, 13, 1789-1794. (SCI一区, 封面文章)
- 8. Changbao Zhao, Jiayi Li, Jiuxiang Dai, Elena Voloshina*, Yuriy Dedkov*, and Yi Cui*. Intercalation of O2 and N2 in the Graphene/Ni Interfaces of Different Morphologies, J. Phys. Chem. C 2019, 123, 16137-16145. (SCI二区)
- 9. Elena Voloshina*, Qilin Guo, Beate Paulus, Stefan Böttcher, Hendrik Vita, Karsten Horn, Changbao Zhao, Yi Cui*, and Yuriy Dedkov*. Electronic Structure and Magnetic Properties of Graphene/Ni3Mn/Ni(111) Trilayer, J. Phys. Chem. C 2019, 123, 4994-5002. (SCI二区)