网赌平台

网赌平台
院系概況
物理系概況
系主任致辭
領導團隊
歷史沿革
師資隊伍
教職人員
實驗室人員
兼職教授
博士后流動站
科學研究
研究團隊
研究進展
科研亮點
科研項目
科研獲獎
學術交流
支撐平臺
人才培養
本科生教育
研究生教育
學生工作
學生活動
黨團動態
學生發展
校友風采
招生錄取
本科生招生
研究生招生
暑期學校
國際交流
最新動態
學術講座
通知公告
綜合新聞
郵箱登錄

季威研究組潘宇浩等理論預測助力機械解理大面積單層二維單晶

| 2020-07-06

2020515日,《Nature Communications》在線報道了网赌平台季威教授研究組和中科院物理所周興江研究團隊、高鴻鈞院士團隊在二維材料機械解理技術領域的最新研究成果(DOI: 10.1038/s41467-020-16266-w)。結合第一性原理預測、實驗剝離、表征和器件構筑,他們發展了一套金輔助的機械解理制備大尺寸、高質量、單層二維單晶材料的普適方法,解離了40種尺寸達到毫米量級的單層單晶樣品,理解了金與幾類二維材料之間的相互作用機制,預測了制備懸空樣品的可行性,并初步驗證。

二維材料是一類僅有一個或幾個原子層厚度的材料家族,涵蓋了絕緣體、半導體、半金屬、金屬和超導體等,涌現出大量不同于傳統三維材料的新奇性質。利用這些性質,這類材料可以用于構建新型晶體管,光電探測器,光吸收裝置,存儲器等器件,應用前景廣闊,是目前凝聚態物理、材料科學、納米科學等多學科領域的研究熱點。制備高質量的二維材料,特別是原子層量級的超薄材料,是探索其新奇物性的基礎。

2004年曼徹斯特大學的科學家剝離出單層石墨單晶,并獲得了2010年諾貝爾物理學獎。十五年來,機械解理技術已被廣泛應用于制備各種高質量的二維材料中。機械解理制備的二維單晶樣品具有與基底相互作用弱,制備過程簡單,樣品質量高等優勢,但制備效率(成功率)不高和樣品尺寸小等不足卻限制了其在很多領域的應用。因此,機械解理技術亟需改進的兩個關鍵不足即是如何提高解離成功率和樣品尺寸。

在實驗摸索的同時,理論預測也在積極為解決這兩個瓶頸問題尋找答案,即可否找到一種材料既與二維材料之間存在強于二維材料層間的相互作用(提高成功率,增加樣品尺寸),又可以比較方便的去除(方便轉移),甚至可以不顯著影響二維材料的性質,而在剝離后直接被實驗表征或者用于器件構筑?隨著計算機技術的進步,第一性原理計算具有預測準確、成本較低等優點,已經逐步發展成探索新興材料的重要手段。如果可以利用第一性原理計算方法給出二維材料機械解理的普適規律,找到一種合適的輔助剝離材料,將有望推動機械解理技術的方法改進,實現更高效、更大面積的二維材料剝離。

1. MoS2Au(111)相互作用的電子結構分析。(a-b)Au(111)(a)及獨立(b)的單層MoS2能帶結構;(c)MoS2/Au(111)界面差分電荷密度沿垂向的譜線圖;(d) MoS2/Au(111)界面附近的S原子和Au原子的態密度分布圖;(e-h) 位于態密度分布圖-7.0 eV-5.3 eV兩處峰的局域電荷密度圖。


根據對過渡金屬的雜化強度和穩定性分析,中國人民大學物理系博士研究生潘宇浩和季威教授發現:金(Au)表面可以為硫族(VIA)和鹵族(VIIA)元素終結的二維材料提供足夠大吸引力克服二維材料層間的相互作用,同時Au與硫族(VIA)和鹵族(VIIA)元素的電子雜化相對較弱,是一種非共價相互作用,對材料的本征電子結構性質影響較小,是輔助二維材料剝離的理想界面間相互作用(圖1)。具體地,他們系統計算比較了58種層狀材料體系與金基底的相互作用能和層間結合能(圖2),定義這兩者之間的比值參數為RLA/IL。通過與實驗比較,發現對于RLA/IL大于1.3的二維材料,金薄膜基底可輔助剝離其大面積、單層單晶。同時,他們還提出,對于RLA/IL更大的二維材料,金基底薄膜無需100%覆蓋即可實現輔助剝離,有有望通過具有孔洞的金薄膜襯底構筑懸空二維材料。


2. 不同層狀材料自身層間結合能以及與Au(111)相互作用能的對比。(a-b)研究的二維材料所涉及到的元素(a)及所在空間群(b)(c-d)四種典型二維材料與Au(111)的差分電荷密度;(g)二維材料與Au(111)的結合能和其層間結合能的柱狀圖。



結合理論計算,中科院物理所黃元副研究員和楊蓉副研究員在實驗上成功理解了40種大面積二維材料單層樣品,樣品尺寸在毫米量級以上(圖3)。這些大尺寸單層單晶樣品可被掃描隧道顯微鏡、角分辨光電子能譜、熒光光譜等多種實驗手段表征,由其構筑的的電子器件有優良的輸運特性。同時,實驗上也驗證性地制備懸空樣品,為研究材料的本征光學性質和輸運性質提供了理想的研究體系。此外,研究團隊還在國際上首次實現了大面積的單層FeSe, PtSe2, PtTe2, PdTe2等材料的解理,為開展一系列新材料物性的后續探索打下了堅持的材料基礎。同時,該解離方法也展現出了非常好的襯底適應性,也可以在透明基底、柔性基底上實現高效解理,為光學、柔性器件研究提供了新材料平臺。

這一研究成果首次給出了針對不同層狀材料的普適性解理規律,對于探索更多二維材料的新奇物理性質具有重要的推動作用,也為未來大面積晶圓級二維材料的制備和應用提供了新的可能性。在該工作中,中國人民大學應屆畢業生潘宇浩博士、中科院物理所黃元副研究員和楊蓉副研究員為本論文共同第一作者,中國人民大學季威教授、內布拉斯加林肯大學Sutter教授、中科院物理所周興江研究員和中科院物理所高鴻鈞院士為本文的通訊作者。相關工作發表在Nature Communications 11, 2453 (2020)上。本工作得到了科技部、基金委、教育部、中科院、中國人民大學、廣東松山湖實驗室和上海超算中心的大力支持。

3. 機械解理獲得多種大面積高質量超薄二維材料。 (a) 新型機械解理的步驟; (b-e) 不同基底上解理得到的大面積MoS2; (f-g) 解理得到的多種大面積二維材料; (h-j) 異質結及懸空二維材料的拉曼光譜及熒光光譜。


相關閱讀: