1. 二维材料可控外延生长

以MoS₂为代表的过渡金属硫化物(TMDs)二维材料，是一类具有高载流子迁移率和高开关比的直接带隙半导体，并兼具良好的力学特性和光电性能，被视为后硅基半导体时代继续延续摩尔定律的理想候选材料之一。但目前MoS₂的气相化学沉积法(chemical vapor deposition, CVD)外延生长普遍面临着单晶面积小、晶界密度高和产率低等诸多难点。此外，二维材料的性质具有层数(厚度)依赖的特点，然而生长中的层数控制也是困扰已久的一个实验难题。课题组基于先进的多尺度模拟方法，在二维材料的成核与生长机理的理论研究方面取得重要进展，提出了单取向成核机制以及层数可控生长机制并得到了实验验证。相关成果发表在Nature, Nature Nanotechnology,  Advanced Materials。

2. 二维材料定向蚀刻

蚀刻作为生长的补充技术，是半导体材料加工的关键步骤之一。蚀刻与生长过程相结合，可以有效提高二维材料的质量。研究证实，蚀刻是一种非常有效的二维材料物性调控方法。例如，将石墨烯蚀刻成纳米条带，可以打开有效带隙并实现高开关比电子器件。理论预测表明，六方氮化硼(h-BN)纳米带及石墨烯/h-BN异质结纳米带具有新颖的磁结构和半金属性质，在自旋电子器件中有潜在的应用前景。然而，纳米带的性质与其尺寸(宽度)和边界构型紧密相关，如何实现可控蚀刻二维材料制备高质量纳米带是实验研究面临的重要问题。课题组基于催化剂-二维材料的微观界面模型，提出了定向蚀刻二维材料制备高质量纳米带的界面调控机制和理想实验参量，并成功解释了实验现象和指导了实验研究。相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed., J. Phys. Chem. Lett., Nano Lett. 。

3. 二维材料物性调控机制与理性设计

人工智能、自动驾驶等新兴产业的爆发式增长对材料的结构和功能的多样性提出了更高的要求。因此，通过各种方式实现对二维材料物性的按需调控以及以功能(应用)为导向筛选和设计新型二维材料，已成为二维材料研究的重要趋势，将有可能为二维材料研究带来新的机遇和应用前景。基于按需调控(功能导向)的二维材料物性调控和设计思路，团队探索了几种二维材料的物性调控机制，并设计了若干二维功能材料及异质结构。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Nanoscale, Phys. Rev. B等期刊。