上海科技大学/南京大学 Nano Lett.：

上海科技大学柳学榕，纪清清，南京大学高力波，周振佳等人发表了题为“Impact of Interfacial Configurations on the Growth of Few-Layer NbSe2 on Sapphire”的工作于Nano Letters期刊上。

本文研究了在蓝宝石衬底上通过两步生长法生长的三种类型的大规模NbSe2异质结构的亚埃级界面效应。通过相干布拉格棒分析（COBRA）技术，识别并量化了直接生长NbSe2时蓝宝石表面的Se−O混杂和非化学计量比、石墨烯插入层的界面钝化作用以及MoSe2堆叠的复杂生长机制。这些不同的界面化学活性和结构形态导致了NbSe2生长行为和晶体质量的差异，进而影响了薄膜的超导性能。研究结果强调了界面控制在vdW异质结构设计中的重要性，并为优化生长策略以增强功能提供了原子级别的见解。

背景

二维范德华（vdW）薄膜因其在二维量子物理和器件技术中的巨大潜力而备受关注。这些材料的弱层间相互作用使得它们能够灵活地进行功能堆叠，从而在单一平台上整合不同的材料特性，而不受晶格匹配的限制。然而，这种弱相互作用也使得大规模高质量薄膜生长变得困难。尽管在构建大规模vdW异质结构方面取得了一定的成功，但理解和控制界面效应仍然是一个关键挑战，因为微妙的界面化学和堆叠顺序显著影响薄膜的结晶、电子性质和器件性能。

主要内容

研究团队利用COBRA技术对在蓝宝石衬底上生长的NbSe2薄膜进行了原子级别的界面结构分析。通过比较直接生长（蓝宝石/NbSe2）、石墨烯作为缓冲层（蓝宝石/石墨烯/NbSe2）以及MoSe2作为异质堆叠层（蓝宝石/MoSe2/NbSe2）三种不同界面配置下的NbSe2薄膜，研究者们发现界面化学、原子平整度和层的完整性对NbSe2的生长及其超导性能有着显著影响。实验结果显示，以石墨烯为界面层的NbSe2薄膜展现出最佳的超导性能，具有最高的超导临界温度（Tc）和最窄的转变宽度（ΔT）。而以MoSe2为界面层的样品表现最差，其Tc和ΔT值均低于直接在蓝宝石上生长的样品。研究者们通过对X射线晶体截断棒（CTR）测量数据的分析，重建了沿z轴的电子密度分布（EDD），从而揭示了不同样品在界面过渡区（TR）和界面配置（IC）区域的显著差异。例如，在没有界面层的蓝宝石/NbSe2样品中，观察到蓝宝石表面氧层的电子密度增加，以及与Nb原子相邻的Se−O混合占据层。而在蓝宝石/石墨烯/NbSe2样品中，石墨烯的不渗透性阻止了Se和O原子的混合，为NbSe2的生长提供了化学惰性的模板，从而实现了高质量的NbSe2薄膜生长。对于蓝宝石/MoSe2/NbSe2样品，MoSe2界面层在硒化和后堆叠退火过程中形成了岛状和/或倾斜的结构域，破坏了上层NbSe2的原子平整度和层的完整性。

实验细节

实验中，研究者们采用了两步生长法来制备NbSe2薄膜。首先，通过化学气相沉积（CVD）技术在蓝宝石衬底上生长NbSe2薄膜。为了研究不同界面配置对NbSe2生长的影响，实验设计了三种不同的界面：直接在蓝宝石上生长NbSe2、在蓝宝石和NbSe2之间插入单层石墨烯、以及在蓝宝石和NbSe2之间堆叠MoSe2。在生长过程中，通过精确控制生长参数，如温度、压力和前驱体流量，实现了对NbSe2薄膜厚度和质量的调控。

创新点

首次利用COBRA技术对大规模vdW薄膜的界面原子结构进行了亚埃级分辨率的重建，为理解界面效应提供了新的视角。

发现了界面配置对NbSe2薄膜生长和超导性能的显著影响，为优化vdW异质结构的设计和生长策略提供了重要的指导。

通过实验揭示了石墨烯作为缓冲层在vdW TMDs生长中的重要作用，为提高vdW薄膜质量提供了新的方法。

结论

本研究通过COBRA技术对在蓝宝石衬底上生长的NbSe2薄膜的界面原子结构进行了详细的分析。研究结果表明，界面化学、原子平整度和层的完整性对NbSe2的生长及其超导性能有着显著影响。石墨烯作为缓冲层能够有效提高NbSe2薄膜的质量，而MoSe2作为界面层则会导致薄膜质量的下降。这些发现不仅为理解vdW异质结构中的界面效应提供了重要的原子级别见解，而且为优化生长策略和提高vdW材料性能提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索其他界面材料和生长条件，以实现更高质量的vdW薄膜和更优异的器件性能。

图1. NbSe2薄膜的归一化电阻-温度依赖性，包括蓝宝石/NbSe2（蓝色）、蓝宝石/石墨烯/NbSe2（黑色）和蓝宝石/MoSe2/NbSe2（红色）。电阻值归一化至7 K时的数值。Tc被确定为电阻曲线的两个线性拟合相交点处的温度，代表超导转变的起始。正常态电阻下降20%至80%之间的温度范围被标记为ΔT。插图展示了电阻测量的设置。

图2. 通过COBRA分析得到的沿薄膜z轴的重建电子密度分布（EDD）曲线。EDD曲线以黑色显示，不同颜色的拟合峰代表不同的元素：浅蓝色代表铝（Al）、红色代表氧（O）、绿色代表铌（Nb）、紫色代表硒（Se）。z=0的位置定义在体刚玉结构的氧原子层处，负值延伸到衬底内部。在这个层面之上，可以观察到不同的区域，包括过渡区（TR）、界面配置（IC）和NbSe2薄膜，每个区域都用不同颜色的阴影背景标记。硒-氧（Se−O）混合占据的位置用洋红色箭头表示。（a）蓝宝石/NbSe2。在a和b面板之间的插图展示了α-Al2O3晶体结构的一部分，说明了晶体中原子位置与EDD拟合峰的对应关系。（b）蓝宝石/石墨烯/NbSe2。橙色和黄色曲线分别表示石墨烯碳原子和可能的铜残留物。（c）蓝宝石/MoSe2/NbSe2。蓝色峰代表钼（Mo）原子，而青色峰表示与MoSe2相邻的电子密度严重不足的原子层。

图3. 不同界面配置（ICs）的NbSe₂少层薄膜在蓝宝石（0001）表面上的示意图。（a）沿z轴的四层NbSe₂薄膜（蓝宝石/NbSe₂）的横截面视图，该薄膜直接生长在Al₂O₃衬底上，突出了蓝宝石表面上存在氧悬空键（用虚线圆圈表示）。不同颜色的球体代表不同的元素：绿色代表Nb，紫色代表Se，浅蓝色代表Al，红色代表O，蓝色代表Mo。双色球体表示混合态，其位置随机填充了这两种原子中的一种。部分填充的白色球体表示不饱和位置，表明占据不完全。箭头表示动态反应过程，其顺序由相邻的数字表示。（b）蓝宝石/石墨烯/NbSe₂。在Cu箔上制备的大片平整石墨烯通过湿法转移过程转移到蓝宝石衬底上。作为保护性覆盖层的石墨烯层被涂成橙色。（c）蓝宝石/MoSe₂/NbSe₂。虚线左侧是局部MoSe₂岛状结构域的示意图；虚线右侧是倾斜MoSe₂堆叠的示意图。这些结构特征是根据实验观察推断出来的，正如EDD曲线中主MoSe₂层旁边出现的多个次级峰所暗示的那样。岛状和倾斜结构域可以独立存在或共存，导致NbSe₂薄膜质量下降。

图4. 对具有不同界面配置（ICs）的NbSe₂薄膜的电子密度分布（EDD）曲线进行高斯拟合所得到的拟合参数的比较。（a）对所有样品的Nb（绿色空心方块）和Se（紫色空心方块）的EDD的半高全宽（FWHM）进行统计分析。水平虚线代表体蓝宝石中的O层，作为视觉参考。（b）总结了从不同样品的内NbSe₂层（空心圆圈，数字表示层序）和最外层（半填充圆圈）确定的平均原子电子数（IAEN）值。IAEN为109的虚线作为完全占据和理想平整度的参考线。（c）所有Nb和Se原子层在三个NbSe₂样品中的FWHM值（黑色方块）。误差条表示均方根误差。（d）三个样品的超导临界温度（Tc）（黑色三角形）的图示。