通过 步纹终止的 Al$_2$O$_3$ 衬底控制 Bi$_2$Se$_3$ 的核生长与反位双晶

高品质 2D 层状材料的等向合成是基础物理研究和技术应用的关键驱动力。Bi$_2$Se$_3$ 是一种典型的 2D 层状拓扑绝缘体，对生长过程中施加的缺陷（要么是热力学上的，要么是由于薄膜-衬底相互作用）敏感。在本研究中，证明了具有高 miscut 角 (3{\deg}) 的步纹终止 Al$_2$O$_3$ 衬底可有效抑制一种难以缓解的缺陷——反位双晶。系统调查了不同生长温度和衬底 miscut 角度，确认原子步缝作为首选核生长位点，稳定单一双晶域。第一性原理计算表明，在步缝处形成双晶界存在显著能垒，支持实验观察。详细的结构表征表明，随着层厚度增加，2D 层通过覆盖步缝而失去这种双晶选择性，导致双晶密度升高。这些发现突显了独特于 2D 材料的能量景观，这种景观由衬底属性、核生动力学和缺陷形成之间的相互作用所驱动，克服和控制这些因素对于提高量子和电子应用中的材料质量至关重要。