厦门大学Nano Lett.:二硫化钼的反赝霍尔•佩奇效应

【引言】

近年来，二硫化钼具有非常独特的电学、磁学、光学和力学特性而迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿，二硫化钼在微电子器件，光电器件和生物医学领域具有重要的应用前景。然而，在现有技术条件下，制备出的大面积二硫化钼薄膜都不可避免的会含有空位缺陷和晶界，晶界和空位缺陷的存在可以改变二硫化钼的电学、磁学、光学特性。二硫化钼的变形、应力分布及断裂强度等力学特性对基于二硫化钼的器件功能的实现会有重要影响。但由于对原子层厚纳米薄膜力学性能的力学性质测试仍存在着诸多困难和挑战，导致鲜有报道二硫化钼的力学特性实验测量。这个基础科学问题极大地限制了这类材料在电子器件等领域的发展。系统、深入地认识二硫化钼材料的基本力学行为对该类二维材料的发展及实际应用具有十分重要的理论指导意义。

【成果简介】

近日，来自厦门大学的吴建洋副教授（通讯作者）和来自的挪威科技大学Zhiliang Zhang教授（共同通讯作者） 团队在Nano Letters发表了题为Grain-Size-Controlled Mechanical Properties of Polycrystalline Monolayer MoS₂的文章，利用泰森多边形法构建多晶二硫化钼全原子模型，高温退火获得能量低的二硫化钼，发现晶界缺陷（5|7, 4|4, 4|6, 4|8 和6|8位错缺陷）与实验合成下的二硫化钼一致，然后采用大规模非平衡分子动力学技术实现对含缺陷的多晶二硫化钼的单和双周拉伸动态加载，获取宏观面内应力-应变响应曲线，发现了二硫化钼的反赝霍尔•佩奇效应。该研究成果丰富了以二硫化钼为代表的过渡族金属二硫化物低维材料的断裂力学行为，为这一类材料的实验微观结构力学设计及实际应用奠定基础。

【图文导读】

图1：晶体结构图多晶二硫化钼的晶界结构及晶界位错

(a):多晶二硫化钼透视图；

(b):多晶二硫化钼的网络似晶界结构；

(c):多晶二硫化钼的von Mises 应力分布；

(d):一个典型晶粒的原子结构；

(e):Y-形状晶界原子结构。

图2 ：多晶二硫化钼的晶界结构及晶界位错

(a):退火温度对多晶二硫化钼的应力应变响应影响；

(b):在1000K退火温度下多晶二硫化钼的晶界结构；

(c):在1500K退火温度下多晶二硫化钼的晶界结构；

(d):在2000K退火温度下多晶二硫化钼的晶界结构；

(e):在2500K退火温度下多晶二硫化钼的晶界结构；

(f):在3000K退火温度下多晶二硫化钼的晶界结构。

图3：多晶二硫化钼的力学性质

(a):单轴应变动态加载下多晶二硫化钼的应力应变响应；

(b):双轴应变动态加载下多晶二硫化钼的应力应变响应；

(c):单轴拉伸模量对多晶二硫化钼的晶粒尺寸的依赖关系；

(d):单轴拉伸强度对多晶二硫化钼的晶粒尺寸的依赖关系；

(e):单轴拉断裂应变对多晶二硫化钼的晶粒尺寸的依赖关系；

(f):双轴拉伸模量对多晶二硫化钼的晶粒尺寸的依赖关系；

(g):双轴拉伸强度对多晶二硫化钼的晶粒尺寸的依赖关系；

(h):双轴拉断裂应变对多晶二硫化钼的晶粒尺寸的依赖关系。

图4：多晶二硫化钼的破坏机制

(a-e):单轴加载下多晶二硫化钼的晶粒间及穿晶断裂模式；

(f-i):典型晶界破坏模式及沿Armchair和Zigzag断裂扩展。

图5：预裂缝单晶二硫化钼的裂纹扩展机制

(a-b):单轴加载下Armchair边预裂缝单晶二硫化钼的原子拉伸应力、von Mises应力分布及裂纹扩展；

(c-d):单轴加载下Zigzag边预裂缝单晶二硫化钼的原子拉伸应力、von Mises应力分布及裂纹扩展。

【小结】

该团队通过平面限制淬火法仿真制备了纳米多晶二硫化钼材料，力学测试发现了发现了二硫化钼的反赝霍尔•佩奇效应。这表明二硫化钼材料的力学性能可以通过调节晶界位错结构及晶粒大小,该工作为基于具有较好机械性能的二硫化钼器件功能的开发提供了参考。

文献链接：Grain-Size-Controlled Mechanical Properties of Polycrystalline Monolayer MoS₂（Nano Lett 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b05433）

【作者简介】

吴建洋副教授，2013年毕业于挪威科技大学工学院，获得哲学博士学位。目前主要从事微纳米材料力学、非常规能源力学及开发等的研究，研究成果以第一或通信作者发表在包括Nat. Commun.、Nano Lett.、JACS、Small、Carbon等SCI文章20余篇。

本文由厦门大学物理系提供。

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