非常小的步骤对想要制作大尺寸二维材料晶圆的研究人员有很大的不同。基板中的原子尺寸的台阶提供了在化学蒸汽炉中生长的2D晶体以完美的等级聚集在一起的手段。科学家们最近观察到了这种现象，现在莱斯大学的一个小组已经知道它为什么会起作用。

水稻材料理论家Boris Yakobson和研究员Ksenia Bets领导了模拟的构建，这些模拟显示生长表面或基底上的原子大小的台阶具有显着的能力，使单层晶体岛在生长时保持对齐。如果条件合适，岛屿会加入更大的晶体而没有晶界，因此二维材料的特征就像通过化学气相沉积(CVD)生长的石墨烯一样。这保留了他们的电子完美和特征，这取决于材料。

Rice理论出现在美国化学学会期刊Nano Letters上。调查集中在六方氮化硼(h-BN)，又名白色石墨烯，一种通常通过CVD生长的晶体。晶体在完全平坦的基板材料上的各个位置成核，并且不一定彼此对准。

然而，最近的实验已经证明，相邻基质上的生长 - 表面看起来平坦但实际上具有稀疏的原子级小步骤 - 可以使晶体排列并帮助它们合并成单一的，均匀的结构，如arXiv所述。该报告的合着者和韩国团队的负责人冯鼎是Yakobson实验室的校友，也是赖斯的现任兼职教授。但实验主义者没有表明它是如何运作的，雅各布森说，这些步骤已知蜿蜒而且有点错位。

“我喜欢将机制与'数字滤波器'进行比较，'这里由原子晶格的离散性质提供，”他说。“模拟曲线，其斜率，描述曲折步骤是由原子行组成的网格'采样和数字化'，将曲线分成直线1D平台段。斜率没有帮助，但它没有'令人惊讶的是，这场比赛可能很好;就像山上一座精心设计的房子一样，它是直的。“理论很简单，虽然计算和确认金属模板和h-BN之间的互补性匹配需要花费很多精力，几乎就像DNA链中的AGTC对一样，”Yakobson说。

目前尚不清楚为什么晶体合并成一体，直到Bets的模拟，在共同作者和赖斯研究生Nitant Gupta的帮助下，展示了h-BN“岛”如何保持对齐，同时沿着明显弯曲的台阶成核。“一个邻近的表面在平坦区域内有一些略微错位的步骤，”Bets说。“它有很大的梯田，但有时会有一个原子高的阶梯。实验主义者的伎俩就是将这些连接步骤朝一个方向对齐。”

在化学气相沉积中，将形成材料的原子的热气体流入腔室，在腔室中它们沉积在基板上并使晶体成核。邻近表面上的h-BN原子倾向于沉淀在阶梯的弯曲处。“他们有一个漂亮的角落，原子将有更多的邻居，这让他们更快乐，”Bets说。“他们试图与步骤保持一致，并从那里成长。

“但从物理学的角度来看，不可能有一个完美的，原子级平坦的步骤，”她说。“迟早会有小的压痕或扭结。我们发现，在原子尺度上，如果它们的尺寸与h-BN结构互补，则这些步骤中的扭结不会阻止h-BN对齐。事实上，它们有助于确保岛屿的共同定位。“由于Rice实验室模拟的步骤深度为1.27埃(埃为十亿分之一米)，因此生长的晶体在克服边界方面几乎没有什么问题。“这些步骤小于原子之间的键距，”Bets说。“如果它们更大，如两埃或更高，它将更像是一个天然屏障，因此必须仔细调整参数。”

根据模拟结果，两个相互接近的生长岛屿无缝连接在一起。类似地，沿着阶梯出现的裂缝容易愈合，因为原子之间的键合足够强以克服小距离。据研究人员称，任何大规模生长二维材料的道路都值得大量应用。导电石墨烯，绝缘h-BN和半导体过渡金属二硫化物等二维材料都是全世界研究人员密切关注的焦点。莱斯大学的研究人员希望他们的理论模型能指向多种大晶体。

美国能源部(DOE)支持这项研究。计算机资源由国家能源研究科学计算中心提供，由美国能源部科学办公室和国家科学基金会支持的赖斯在莱斯集团提供支持，由研究计算中心管理，并与赖斯肯肯尼研究所合作采购。信息技术。