PRL: 纳米尺度二维材料的热膨胀系数研究

【引言】

二维材料，包括石墨烯，过渡金属二硫属元素化物及其异质结构，在晶体管、自旋电子学和光伏等各种应用领域具有巨大的潜力。同时，器件的小型化在电气性能方面具有显著的改进，但是在设计基于二维材料的电子器件时，要克服的一个基本障碍即是在常见温度测量中空间分辨率的缺失。

【成果简介】

 近日，美国伊利诺伊大学芝加哥分校胡轩（第一作者）、Robert F. Klie（通讯作者）等研究人员报道了一种新颖的纳米尺度测温方法来测量温度，并在扫描透射电子显微镜结合电子能量损失谱的基础上量化了二维材料的热膨胀系数，确定二维材料的等离子体共振峰的能量偏移是样品温度的函数。通过将这些测量结果与第一性原理计算相结合，直接确定了独立单层和块体石墨烯以及单层MoS₂，MoSe₂，WS₂或WSe₂的热膨胀系数（TECs）。该研究发表于Physical Review Letters，题为“Mapping Thermal Expansion Coefficients in Freestanding 2D Materials at the Nanometer Scale”。

 【图文导读】

 图1. 低损耗EELS光谱与函数关系表征

（a）单层WSe₂的低损耗EELS光谱，温度在373K和723K之间。（b）来自（a）的每个光谱的等离子体激元能量作为温度的函数。

（c）-（e）分别为石墨烯、MoS₂、MoSe₂、WS₂和WSe₂的层数与能量位移（dE / dT）的函数关系。

图2. MoSe₂纳米片的表征

（a）MoSe₂纳米片的HAADF图像。

（b）标称样品温度为573K时MoSe₂相关的温度图。

（c）为（a）和（b）的叠加图，显示了不同厚度（I，II，III）的三个区域。

（d）每个区域的温度分布。。

图3. 单层石墨烯的低损耗EEL谱及表征

（a）计算具有不同晶格常数的单层石墨烯的低损耗EEL谱。

（b）来自（a）的每个光谱的等离子体能量与晶格常数a的函数关系。

（c）对比参考数据，测量了薄膜和块体石墨烯与TMDs的面内TECs。 误差条以蓝色显示，并以实验不确定度来计算等离子体能量的偏移。

图4. MoSe₂的HAADF图像及表征

（a）623K下的MoSe₂的HAADF图像和在双层（DL）和四层（QL）区域边缘中的局部热膨胀系数的空间分辨图。

（b）为（a）中黑线所示界面的热膨胀系数的谱线轮廓。

（c）在573K拍摄的MoS₂的典型的原子分辨率HAADF图像。

（d）在573K下在几个MoS₂层图像对比的谱线轮廓。

【小结】

 该项工作提出了一种利用高分辨率STEM成像耦合EEL光谱技术得到二维材料中TECs的纳米尺度映射的新方法。测量方法利用了2D材料的等离子体振子峰的偏移，测得的等离子体能量位移表现出对二维层数的依赖性，研究人员将其归因于2D材料中的量子限制效应。他们考虑到二维材料的样品厚度，以原子层数为单位，表明了可以用纳米分辨率来映射局部温度。利用DFT和RPA进行理论计算，比较了2D和散装材料的热膨胀系数，发现与现有的参考数据相当吻合。通过测量接近表面，晶界或异质界面的TEC，他们可以预测和控制由各种器件操作引起的失配和热应变，避免应变诱导（热机械）断裂或电子性质的变化。

文献链接： Mapping Thermal Expansion Coefficients in Freestanding 2D Materials at the Nanometer Scale (Physical Review Letters 2018, DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.055902)

本文由材料人计算材料组Annay供稿，材料牛整理编辑。

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