A Descriptor-Driven Thermodynamic Framework for Achieving Unidirectional Nucleation in 2D Material Epitaxy

成核 材料科学 外延 纳米技术 分子束外延 化学物理 热力学 化学 物理 图层(电子)
作者
Ruikang Dong,Yilei Wu,Chunjin Ren,Xiaoshu Gong,Qionghua Zhou,Jinlan Wang,Liang Ma
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c12775
摘要

Unidirectional nucleation is crucial for achieving wafer-sized single-crystal epitaxy of two-dimensional (2D) materials, yet it is fundamentally hindered by multidirectional nucleations resulting from symmetry mismatch-induced energy equivalence at the epilayer-substrate interfaces. Here, we propose a universal, hierarchical framework that integrates thermodynamic modeling, epitaxial descriptor construction, and substrate-step engineering to enable unidirectional nucleation and epitaxy across diverse 2D materials. Our thermodynamic model classifies 2D nucleation into edge-dominated and surface-dominated regimes, pinpointing that the latter can be controlled only when terrace steps are precisely aligned with the preferred epitaxial axis. A quantitative epitaxial descriptor based on lattice mismatch and interfacial atomic spacing is developed for screening optimal growth orientations for arbitrary 2D/substrate systems, eliminating the need for first-principles calculations. Applied to benchmark systems, this framework predicts that graphene and hexagonal boron nitride (h-BN) tolerate broad step directions, whereas molybdenum disulfide (MoS2) requires strict orientation engineering, in full agreement with experiments. This work establishes a general protocol for substrate-step engineering that promotes unidirectional nucleation and provides guidelines for wafer-scale single-crystal epitaxy of diverse 2D materials.
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