陳曉龍&王琳Nat. Commun.：探測二維材料的層間剪切形變

一、【導讀】

原子薄的vdW層狀材料，具有高的平面內剛度和彎曲靈活性，為熱機械工程提供了一個獨特的平臺。通過晶格變形，可以顯著調整vdW材料的電子結構，從而產生有趣的物理現象和應用，例如剪切應變產生的偽磁場、一維莫爾勢、孤子網絡中的受限態和主動可變光譜光電子。機械方法已廣泛用于在vdW材料中引入壓縮應變和拉伸應變（晶格變形），包括使用納米柱的基板工程、在vdW材料中生成納米氣泡、彎曲柔性基板以及利用vdW材料和基板之間的熱膨脹系數失配。雖然vdW材料的機械工程已經取得了很大進展，但對其熱機械性能的研究卻很少。此外，了解對溫度變化反應時層間變形的微觀機制是vdW材料熱工的核心，然而目前仍缺乏有效的表征技術，極大阻礙了相關研究的發展。

二、【成果掠影】

近日，南方科技大學陳曉龍副研究員與南京工業大學王琳教授聯合開發了一種直接的實驗方法和有效的理論模型來研究vdW材料的力學、熱學和層間性能。通過使用精心設計的基于WSe₂的異質結，利用單層WSe₂用作原位應變計。通過實驗結果和理論建模，研究人員能夠定量求解vdW材料中每一層的剪切形變和層間剪切熱形變。該方法還提供了重要的層間耦合信息以及關鍵的熱參數。該模型適用于具有不同層數和不同邊界條件的vdW材料，包括熱誘導形變和機械誘導形變。相關研究成果以題為“Probing interlayer shear thermal deformation in atomically-thin van der Waals layered materials”發表在知名期刊Nature communications上，博士生張樂和碩士生王晗為論文共同第一作者。

三、【核心創新點】

1、提出探測二維材料層間剪切形變的新光學方法。

2、成功獲取每層的層間剪切形變數值。

四、【論文掠影】

圖一、vdW材料和異質結構中的剪切熱形變（STD）和層間剪切熱形變（ISTD）

（a）當溫度從T₀降低到T₁時，N層磷烯/SiO₂系統的ISTD模型。

（b）當溫度從T₀降低到T₁時，WSe₂/N層磷烯/SiO₂系統的ISTD模型。

圖二、WSe₂/磷烯異質結用于STD和ISTD研究

（a）單層WSe₂作為應變計探測頂層磷烯層的熱形變。

（b）WSe₂/磷烯/SiO₂和WSe₂/SiO₂系統中光子能量的變化趨勢與溫度的關系。

（c）WSe₂/磷烯異質結構的光學顯微圖像。

（d）在室溫下，分離的單層WSe₂，分離的磷烯和WSe₂/磷烯異質結的拉曼光譜。

（e）180 K時分離的單層WSe₂和WSe₂/磷烯異質結的PL光譜。

圖三、溫度依賴PL表征

（a）WSe₂/SiO₂和WSe₂/磷烯/SiO₂區域的PL表征的示意圖。

（b）從10到300?K，中性激子（X）、帶電的激子（X_trion）和局部激子（X_loc）在SiO₂底物上分離的WSe₂和WSe₂/磷烯異質結的PL。

（c）在10、200和300 K處分離的WSe₂和WSe₂/磷烯異質結的歸一化PL光譜。

圖四、從實驗結果和理論模型中提取STD和ISTD

（a）青色符號顯示了在磷烯層數分別為1、5和50時，WSe₂/磷烯和孤立WSe₂之間隨溫度變化的光子能量差（ΔE）。

（b）從300到10?K，實驗測量并理論擬合了不同總層數N的WSe₂/磷烯和WSe₂/hBN系統中WSe₂（τ_h）的STD。

（c）理論計算了WSe₂/50層磷烯/SiO₂系統中層數依賴的ISTD（Δτ）。

圖五、在磷烯/SiO₂和WSe₂/磷烯/SiO₂系統中分辨單層的STD和ISTD

（a）在低溫下5層磷烯/SiO₂系統熱機械形變的示意圖。

（b-c）N?=?5、10、20、30、40和50時磷烯/SiO₂系統中理論計算層數依賴的τ和?τ。

（a）在低溫下WSe₂/5層磷烯/SiO₂系統熱機械形變的示意圖。

（b-c）N?=?5、10、20、30、40和50時WSe₂/磷烯/SiO₂系統中理論計算層數依賴的τ和?τ。

圖六、磷烯和hBN的熱參量

（a）實驗測量和理論擬合的固有熱應變作為溫度的函數。

（b）磷烯和hBN的溫度依賴熱膨脹系數（TEC）。

五、【前景展望】

首先，研究人員提出了一種智能策略，即基于WSe₂的異質結，以研究vdW材料的機械、熱和層間耦合特性。其次，ISTD模型可以定量求解不同層數的vdW材料和異質結構的各個層中的層間形變。第三，該模型可以提供重要的層間耦合信息，如磷烯/磷烯homo界面和WSe₂/磷烯異質界面的層間耦合系數和面內力。第四，與機械彎曲/拉伸相比，固有熱變形誘導應變更穩定、可逆和可控，使能夠提供更清晰的層間剪切變形物理圖片，并準確提取關鍵熱參數。最后，該模型可以應用并擴展到具有各種邊界條件的各種變形情況（熱誘導變形和機械誘導變形），其他研究人員可以輕松修改和使用該模型。因此，研究人員認為本文提供的智能實驗方法、ISTD模型、清晰的物理圖像和層間耦合信息將啟發vdW材料中的熱機械工程，并有益于二維材料的科學進展。

文獻鏈接：Probing interlayer shear thermal deformation in atomically-thin van der Waals layered materials (Nat. Commun., 2022, 13, 3996)

1）陳曉龍團隊介紹：

陳曉龍助理教授于2018年加入南方科技大學電子與電氣工程系，主要研究方向是二維材料光電與微電器件，特別是在二維黑磷物性與紅外光電器件做出多項開創性成果。目前已經在Light: Science & Applications、Nature Communications、Science Advances等國際權威期刊發表論文40余篇，論文被引用>2200次（谷歌學術統計），H因子22。主持國自然青年基金，入選廣東省“珠江人才”青年拔尖人才，為Nature Communications、Science Advances、 Light: Science & Applications、Advanced Materials等知名期刊特邀審稿人。

課題組主頁：https://site-982068-1338-8517.mysxl.cn/

2）團隊在領域工作匯總

（a）界面調控二維黑磷結構的電子散射機制，實現高性能晶體管

Nature Communications 6, 6088, 2015（ESI高被引論文）; Nature Communications 6, 7315, 2015（ESI高被引論文）；ACS Nano 12, 5003, 2018；Advanced Electronic Materials 5, 1900133, 2019

（b）電場調控黑磷能帶結構，實現截至波長動態可調的中紅外光電探測器 Nature Communications 8, 1672, 2017

（c）結構調控光激子形成，首次實現黑磷中紅外發光二極管器件Light: Science & Applications 9, 114, 2020