研究背景
二维硒化镓（GaSe）由Se–Ga–Ga–Se四原子层构成，电子结构可调，是光电子器件与晶体管的候选材料。然而，要在整片晶圆上长出均匀的单晶GaSe薄层仍很困难，厚度、相纯与局域结构都对生长参数十分敏感。外延生长同时跨越原子尺度的吸附、扩散与介观尺度的成核、畴生长两个层面：密度泛函理论（DFT）受体系尺寸与时间尺度所限，连续介质模型又多停留在定性层面。把两个尺度定量衔接，是理解并优化GaSe生长的关键。
成果简介
该工作由诺丁汉大学Elena Besley教授担任通讯作者。作者先用DFT计算Ga、Se吸附原子在石墨烯与GaSe表面的吸附与扩散。在石墨烯上，Ga的吸附能（−1.20 eV）约为Se（−0.45 eV）的3倍，两者扩散势垒都很低（Ga 0.11 eV、Se 0.15 eV）；但Se吸附弱、极易再蒸发：823 K下Ga的停留时间（2.2×10⁻⁶ s）比Se（5.7×10⁻¹¹ s）高出4个数量级以上，脱附前扩散距离Ga约536 nm、Se仅约1.96 nm。因此Ga是成核的介导者，它长程迁移、被缺陷捕获并固定Se；石墨烯单空位对两者的吸附都大为增强（Se −6.39 eV、Ga −4.58 eV），是优先成核位点；同时，足够高的Se通量不可或缺，否则表面将堆积富Ga团簇。在已长成的GaSe表面，情形截然不同：Se的扩散势垒高达0.80 eV，Ga近乎无势垒（0.02 eV），扩散距离相差近两个数量级（Ga约2.90 μm、Se约39.3 nm），第一层与后续层的生长动力学因此分开。边缘附着方面，Se在Se终止边缘的附着能最强（−6.85 eV），混合边缘则最稳定。作者进而把DFT能量参数输入键计数动力学蒙特卡洛（KMC）模型，在ΓSe ≈ 10⁻⁴、10⁻³、10⁻²的低、中、高通量条件下系统扫描温度与通量比。结果显示，Ga/Se通量比是控制成核的首要因素：降低通量比可减少成核、抑制多晶；加大Ga通量起初加速生长，越过临界值后Ga在边缘堆积，生长速率回落、表面变粗糙。温度与绝对通量主要塑造形貌：723 K下岛呈枝晶状，升温至1123 K后边缘自愈合增强，宽参数范围内形成致密的三角形岛。综合而言，高温、富Se是二维GaSe生长的窄窗口。
图注说明
图1 GaSe/石墨烯异质结构与生长基元过程。(A) 中心对称多型GaSe在石墨烯上的俯视图与侧视图。(B) 二维GaSe生长的基元步骤：吸附、脱附、表面扩散、边缘扩散，以及原子在畴边缘的附着与脱离。
图3 723 K下GaSe岛形貌的KMC模拟。(A)–(C) Se通量依次为低、中、高，各列Ga/Se通量比ϕGa/ϕSe由0.01增至0.5。低温下边缘扩散受限，岛呈枝晶状；通量比增大，岛长大且边缘趋于粗糙。黄色为Se、蓝色为Ga、灰色为石墨烯，标尺为20 nm。
图4 1123 K下GaSe岛形貌的KMC模拟，行列设置与图3相同。升温使边缘迁移与自愈合增强，宽参数范围内岛呈致密的三角形；仅在高通量、富Ga条件下才出现枝晶。标尺为20 nm。
图5 GaSe的生长速率与形貌。(A) 823 K下单个GaSe岛的平均生长速率随Ga/Se通量比的变化（低、中、高Se通量）：速率先升，随后饱和并回落。(B)–(D) 三种Se通量下的代表性形貌，各列通量比为0.01、0.1、1，富Ga时表面积累大量未并入岛的Ga。(E) 生长速率随温度升高而下降，源于再蒸发增强。
图6 GaSe的成核密度。(A) 不同温度下潜在晶核数随Ga/Se通量比的变化：富Se时成核少，Ga增多使晶核数上升，723 K下最显著，1123 K下始终只有单个晶核。(B) 不同通量比下石墨烯上成核事件的模拟快照。标尺为20 nm。
总结展望
该工作把DFT给出的原子尺度能量参数与KMC的介观演化定量衔接，阐明了GaSe在石墨烯上的成核与畴生长规律，并指出高温、富Se的窄窗口最有利于二维GaSe生长。这一框架只需替换相应的能量与结构参数，即可推广到其他金属单硫属化合物与范德华异质结构，为二维材料合成条件的理性优化提供了可计算的路径。
文献链接
Growth Kinetics of Gallium Selenide on Graphene: Bridging Atomistic and Mesoscale Processes. ACS Applied Materials & Interfaces (2026).
https://doi.org/10.1021/acsami.6c14237
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