MIT李巨\西湖大學李文彬\德克薩斯A&M大學錢曉峰 Nat.?Rev.?Mater.: 2維材料中的相變

【引言】

原子核和電子的自組織導致物質中不同相態的出現。一個相態代表物質在空間中的某種組織形式，在該組織形式中物質的性質可隨外場改變連續變化，但與其他組織形式的性質相比有顯著不同。因此，當一個材料經歷相變時，某些體系特性將發生改變。相變的一般特征是，它要么涉及Landau范式中的某個序參量或其導數的不連續性，要么涉及某種拓撲不變量的改變。在凝聚態物理和材料科學中，不同物質相態的發現、表征和控制是學科的核心任務。二維（2D）系統中相變的研究在增進我們對相變的理解方面起著至關重要的作用。2D材料是可以在兩個方向上無限復制，但在第三方向上具有原子級厚度的物質。例如，單層MoS₂的厚度約為6.7埃，而在機械剝離產生的實驗室樣品中，其平面內尺寸通常處于微米量級，因此體系具有約10³或更大的橫縱比。與此相對應，普通A4紙的橫縱比也約為10³。雖然從2D到3D/1D的相變無疑是有趣的主題，但在本文中，作者重點討論2D與2D之間的相變。

【成果簡介】

?????????物質新相態的發現與控制是材料研究的重要目標。薄至單層或多層原子的2D材料的出現，例如過渡金屬二硫屬化物和單硫屬元素化物，已使人們能夠研究2D中的擴散、位移和量子相變。在這篇綜述中，MIT李巨,?西湖大學李文彬和德克薩斯A&M大學錢曉峰討論了二維相變的熱力學和動力學特征，這些二維相變是由二維材料特有的尺寸限制，彈性，靜電，缺陷和化學性質引起的。作者重點介紹了同質多晶、鐵性、高溫擴散相變以及高階鐵性和Berry曲率記憶，并研究了受控2D相變的技術潛力。最后，作者展望了2D相變研究和應用中的未來機會，并確定了尚待解決的關鍵挑戰。該綜述以題為“Phase transitions in 2D materials”發表在Nat.?Rev.?Mater.上。

【圖文導讀】

Figure 1.二維相變研究中關鍵發展的時間表

Figure?2.2D材料中相變的獨特特征

a.短程相互作用；b.長程相互作用；c.二維材料的空間可操控性有利于體系與外部刺激的耦合以及對相變的精確控制；d.界面相變材料（IPCM）體現了2D相變的熱力學特性；e.單層MoS₂從2H到1T的相變說明了2D相變動力學的獨特之處；f.在相變期間，二維材料中可形成諸如漪錯（ripplocation）之類的缺陷，這些缺陷在近距離處會相互吸引，與塊體材料中的位錯性質相反；g.二維材料的原子厚度和較差的環境穩定性要求采用新的鈍化策略來防止腐蝕

Figure 3.二維過渡金屬二鹵化物中的同質異形相變

a）MX₂單層的原子結構 b）密度泛函理論計算的不同MX₂單層在1T’和2H相之間的能量差 c）MoS₂的化學驅動同質多晶轉變 d）MoTe₂的熱驅動同質多晶轉變 e）應變驅動的MoTe₂同質多晶轉變 f）從2H到1T'相的少層MoTe₂的激光誘導相變圖案 g）離子液體場效應電荷驅動相變的示意圖 h）垂直電場誘導的2H-MoTe₂中具有2H_d相的導電絲的形成

Figure 4.2D材料中的鐵性相變

a）單層1T'-WTe₂中的對稱等效取向狀態和鐵彈性 b）原子層級厚度的SnTe中的鐵電相變?c）Cr₂Ge₂Te₆原子層中的鐵磁性 d）原子層級厚度的CrI₃中的鐵磁性

Figure 5.2D或2D模板擴散相變

a）相分離的MoS₂/WS₂異質結構和固溶Mo_xW_1-xS₂合金的化學氣相沉積（CVD）生長??b）通過CVD合成2D過渡金屬硫屬元素化物 c）使用K₂MoS₄作為前驅體生長MoS₂單層1T’和2H相的生長相圖 ?d）TiTe₂/Sb₂Te₃相變異質結構（PCH）中的2D模板擴散相變

Figure 6.二維相變材料在新器件中的應用

a）通過電場控制的Li+離子遷移，實現Li_xMoS₂薄膜從2H到1T'的可逆相變的示意圖 b）MoS₂橫向肖特基二極管的示意圖，核心組件包括MoS₂半導體-金屬相結 c）將高速整流器與柔性天線相結合，可以形成柔性整流天線，該天線可以收集Wi-Fi頻段的無線射頻能量 d）時間反演不變系統中的鐵電非線性霍爾效應為非線性記憶提供了理論基礎 e）三層WTe₂中鐵電非線性霍爾效應和Berry曲率記憶的實驗驗證?f）線性偏振激光脈沖在鐵彈性單層SnO（左）和SnSe（右）中引起的光機械馬氏體轉變 g）基于光機械驅動的雙層六角形氮化硼中的可滾動光盤驅動器

【小結】

為了實現2D材料的工業應用，須實現高質量材料的大面積生長，便捷和可靠的材料處理，高性能的器件與系統，以及較長的使用壽命。 在所有這些生長-處理-服役步驟中，二維材料的相行為都很重要。 此外，人們長期以來一直在探索通過相變來改善或實現獨特的材料功能。 特別是2D相變具有多種獨特的性質，有望應用于電子、光學、磁性、機電、光機和磁機等領域。 但是，在2D相變領域中仍然有諸多重要的挑戰，包括新型2D相變材料的發現和表征、二維相轉變的動力學研究、二維相變與漣波之間的耦合調控以及二維堆疊材料和范德華異質結中的相變等。

文獻鏈接：Phase transitions in 2D materials, Nat.?Rev.?Mater.,?2021, DOI:10.1038/s41578-021-00304-0

作者簡介：

李巨是材料學專家、麻省理工學院終身教授。2014/18-20年入選森路透/科睿唯安全球高被引科學家名單。2014年被選為美國物理學會（APS）會士，2017年入選材料研究學會（ MRS ）會士，2020年入選美國科學促進會（AAAS）會士。

李文彬是西湖大學工學院助理教授，致力于運用和發展第一性原理計算與機器學習方法研究功能材料中電聲子相互作用、電學輸運性質以及低維相變。

錢曉峰是德州A&M大學材料系助理教授，致力于發展第一性原理計算方法，研究材料的光電磁性能和耦合，以及低維材料的結構和拓撲相變。

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。