MIT李巨\西湖大学李文彬\德克萨斯A&M大学钱晓峰 Nat. Rev. Mater.: 2维材料中的相变

【引言】

原子核和电子的自组织导致物质中不同相态的出现。一个相态代表物质在空间中的某种组织形式，在该组织形式中物质的性质可随外场改变连续变化，但与其他组织形式的性质相比有显著不同。因此，当一个材料经历相变时，某些体系特性将发生改变。相变的一般特征是，它要么涉及Landau范式中的某个序参量或其导数的不连续性，要么涉及某种拓扑不变量的改变。在凝聚态物理和材料科学中，不同物质相态的发现、表征和控制是学科的核心任务。二维（2D）系统中相变的研究在增进我们对相变的理解方面起着至关重要的作用。2D材料是可以在两个方向上无限复制，但在第三方向上具有原子级厚度的物质。例如，单层MoS₂的厚度约为6.7埃，而在机械剥离产生的实验室样品中，其平面内尺寸通常处于微米量级，因此体系具有约10³或更大的横纵比。与此相对应，普通A4纸的横纵比也约为10³。虽然从2D到3D/1D的相变无疑是有趣的主题，但在本文中，作者重点讨论2D与2D之间的相变。

【成果简介】

         物质新相态的发现与控制是材料研究的重要目标。薄至单层或多层原子的2D材料的出现，例如过渡金属二硫属化物和单硫属元素化物，已使人们能够研究2D中的扩散、位移和量子相变。在这篇综述中，MIT李巨, 西湖大学李文彬和德克萨斯A&M大学钱晓峰讨论了二维相变的热力学和动力学特征，这些二维相变是由二维材料特有的尺寸限制，弹性，静电，缺陷和化学性质引起的。作者重点介绍了同质多晶、铁性、高温扩散相变以及高阶铁性和Berry曲率记忆，并研究了受控2D相变的技术潜力。最后，作者展望了2D相变研究和应用中的未来机会，并确定了尚待解决的关键挑战。该综述以题为“Phase transitions in 2D materials”发表在Nat. Rev. Mater.上。

【图文导读】

Figure 1.二维相变研究中关键发展的时间表

Figure 2.2D材料中相变的独特特征

a.短程相互作用；b.长程相互作用；c.二维材料的空间可操控性有利于体系与外部刺激的耦合以及对相变的精确控制；d.界面相变材料（IPCM）体现了2D相变的热力学特性；e.单层MoS₂从2H到1T的相变说明了2D相变动力学的独特之处；f.在相变期间，二维材料中可形成诸如漪错（ripplocation）之类的缺陷，这些缺陷在近距离处会相互吸引，与块体材料中的位错性质相反；g.二维材料的原子厚度和较差的环境稳定性要求采用新的钝化策略来防止腐蚀

Figure 3.二维过渡金属二卤化物中的同质异形相变

a）MX₂单层的原子结构 b）密度泛函理论计算的不同MX₂单层在1T’和2H相之间的能量差 c）MoS₂的化学驱动同质多晶转变 d）MoTe₂的热驱动同质多晶转变 e）应变驱动的MoTe₂同质多晶转变 f）从2H到1T'相的少层MoTe₂的激光诱导相变图案 g）离子液体场效应电荷驱动相变的示意图 h）垂直电场诱导的2H-MoTe₂中具有2H_d相的导电丝的形成

Figure 4.2D材料中的铁性相变

a）单层1T'-WTe₂中的对称等效取向状态和铁弹性 b）原子层级厚度的SnTe中的铁电相变 c）Cr₂Ge₂Te₆原子层中的铁磁性 d）原子层级厚度的CrI₃中的铁磁性

Figure 5.2D或2D模板扩散相变

a）相分离的MoS₂/WS₂异质结构和固溶Mo_xW_1-xS₂合金的化学气相沉积（CVD）生长  b）通过CVD合成2D过渡金属硫属元素化物 c）使用K₂MoS₄作为前驱体生长MoS₂单层1T’和2H相的生长相图  d）TiTe₂/Sb₂Te₃相变异质结构（PCH）中的2D模板扩散相变

Figure 6.二维相变材料在新器件中的应用

a）通过电场控制的Li+离子迁移，实现Li_xMoS₂薄膜从2H到1T'的可逆相变的示意图 b）MoS₂横向肖特基二极管的示意图，核心组件包括MoS₂半导体-金属相结 c）将高速整流器与柔性天线相结合，可以形成柔性整流天线，该天线可以收集Wi-Fi频段的无线射频能量 d）时间反演不变系统中的铁电非线性霍尔效应为非线性记忆提供了理论基础 e）三层WTe₂中铁电非线性霍尔效应和Berry曲率记忆的实验验证 f）线性偏振激光脉冲在铁弹性单层SnO（左）和SnSe（右）中引起的光机械马氏体转变 g）基于光机械驱动的双层六角形氮化硼中的可滚动光盘驱动器

【小结】

为了实现2D材料的工业应用，须实现高质量材料的大面积生长，便捷和可靠的材料处理，高性能的器件与系统，以及较长的使用寿命。 在所有这些生长-处理-服役步骤中，二维材料的相行为都很重要。 此外，人们长期以来一直在探索通过相变来改善或实现独特的材料功能。 特别是2D相变具有多种独特的性质，有望应用于电子、光学、磁性、机电、光机和磁机等领域。 但是，在2D相变领域中仍然有诸多重要的挑战，包括新型2D相变材料的发现和表征、二维相转变的动力学研究、二维相变与涟波之间的耦合调控以及二维堆叠材料和范德华异质结中的相变等。

文献链接：Phase transitions in 2D materials, Nat. Rev. Mater., 2021, DOI:10.1038/s41578-021-00304-0

作者简介：

李巨是材料学专家、麻省理工学院终身教授。2014/18-20年入选森路透/科睿唯安全球高被引科学家名单。2014年被选为美国物理学会（APS）会士，2017年入选材料研究学会（ MRS ）会士，2020年入选美国科学促进会（AAAS）会士。

李文彬是西湖大学工学院助理教授，致力于运用和发展第一性原理计算与机器学习方法研究功能材料中电声子相互作用、电学输运性质以及低维相变。

钱晓峰是德州A&M大学材料系助理教授，致力于发展第一性原理计算方法，研究材料的光电磁性能和耦合，以及低维材料的结构和拓扑相变。

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。