类黑磷结构二维亚稳态A17相铋是一种具有新奇电子特性的量子材料，在低功耗电子学、纳米铁电及热电转换等应用领域具有潜力。A17相铋的二维生长通常依赖原子级平整的金属基底，铋与基底间过强的相互作用严重限制了其外延横向尺寸，而其随生长厚度增加容易产生相变成为块材相，这些问题阻碍了对该材料本征物性的深入研究和器件开发。
近日，上海科技大学物质科学与技术学院王宏达课题组基于“介电屏蔽”效应，发展出一种“类自由生长”的范德华外延方法，成功制备出长度超过30微米、长宽比高于150、厚度仅6~10个双原子层的A17相铋纳米带，突破了该材料在气相外延中难以实现10微米以上横向尺寸的瓶颈。该成果以“Freestanding-Mimetic Growth of Ultralong A17 Bismuth Nanoribbons via Dielectric-Mediated Van der Waals Epitaxy”为题，在材料科学与纳米科技领域学术期刊Small上发表。
研究创新性地选用云母这一绝缘二维晶体作为生长基底。云母表面特有的介电屏蔽效应，能够像“缓冲层”一样弱化材料与基底间的电子相互作用，同时其原子级平整的表面为外延生长提供了理想的二维模板。
图1：上科大团队实现超长A17相铋纳米带的类自由生长。
基于Wulff晶体形貌构建理论的分析结果，团队发现活性较高的扶手椅边与对角边协同作用，共同驱动了铋原子沿锯齿型晶向的一维外延生长。超长A17相铋纳米带的生长过程模拟了溶液合成方法中的一维自由生长行为，因而被称为“类自由生长”。第一性原理计算进一步揭示，纳米带三个边缘能量的协同调控，是突破传统尺寸限制的关键要素。
图2：A17相铋纳米带生长形貌的Wulff构建分析。
该工作验证了一种具有普适性的“介电屏蔽范德华外延”生长新范式，为其他亚稳相二维材料、复杂氧化物等体系的可控生长提供了新思路。高质量超长纳米带也为A17相铋的物性与器件研究提供了必要的材料基础。
上海科技大学物质学院2021级博士生唐银亮、2022级博士生任义元、博士毕业生吴楠以及于奕课题组博士毕业生胡祥辰为共同第一作者。该研究在王宏达教授和于奕教授的共同指导下完成，王宏达教授为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。
论文标题：Freestanding-Mimetic Growth of Ultralong A17 Bismuth Nanoribbons via Dielectric-Mediated Van der Waals Epitaxy
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202513382
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