陈晓龙&王琳Nat. Commun.：探测二维材料的层间剪切形变

一、【导读】

原子薄的vdW层状材料，具有高的平面内刚度和弯曲灵活性，为热机械工程提供了一个独特的平台。通过晶格变形，可以显著调整vdW材料的电子结构，从而产生有趣的物理现象和应用，例如剪切应变产生的伪磁场、一维莫尔势、孤子网络中的受限态和主动可变光谱光电子。机械方法已广泛用于在vdW材料中引入压缩应变和拉伸应变（晶格变形），包括使用纳米柱的基板工程、在vdW材料中生成纳米气泡、弯曲柔性基板以及利用vdW材料和基板之间的热膨胀系数失配。虽然vdW材料的机械工程已经取得了很大进展，但对其热机械性能的研究却很少。此外，了解对温度变化反应时层间变形的微观机制是vdW材料热工的核心，然而目前仍缺乏有效的表征技术，极大阻碍了相关研究的发展。

二、【成果掠影】

近日，南方科技大学陈晓龙副研究员与南京工业大学王琳教授联合开发了一种直接的实验方法和有效的理论模型来研究vdW材料的力学、热学和层间性能。通过使用精心设计的基于WSe₂的异质结，利用单层WSe₂用作原位应变计。通过实验结果和理论建模，研究人员能够定量求解vdW材料中每一层的剪切形变和层间剪切热形变。该方法还提供了重要的层间耦合信息以及关键的热参数。该模型适用于具有不同层数和不同边界条件的vdW材料，包括热诱导形变和机械诱导形变。相关研究成果以题为“Probing interlayer shear thermal deformation in atomically-thin van der Waals layered materials”发表在知名期刊Nature communications上，博士生张乐和硕士生王晗为论文共同第一作者。

三、【核心创新点】

1、提出探测二维材料层间剪切形变的新光学方法。

2、成功获取每层的层间剪切形变数值。

四、【论文掠影】

图一、vdW材料和异质结构中的剪切热形变（STD）和层间剪切热形变（ISTD）

（a）当温度从T₀降低到T₁时，N层磷烯/SiO₂系统的ISTD模型。

（b）当温度从T₀降低到T₁时，WSe₂/N层磷烯/SiO₂系统的ISTD模型。

图二、WSe₂/磷烯异质结用于STD和ISTD研究

（a）单层WSe₂作为应变计探测顶层磷烯层的热形变。

（b）WSe₂/磷烯/SiO₂和WSe₂/SiO₂系统中光子能量的变化趋势与温度的关系。

（c）WSe₂/磷烯异质结构的光学显微图像。

（d）在室温下，分离的单层WSe₂，分离的磷烯和WSe₂/磷烯异质结的拉曼光谱。

（e）180 K时分离的单层WSe₂和WSe₂/磷烯异质结的PL光谱。

图三、温度依赖PL表征

（a）WSe₂/SiO₂和WSe₂/磷烯/SiO₂区域的PL表征的示意图。

（b）从10到300 K，中性激子（X）、带电的激子（X_trion）和局部激子（X_loc）在SiO₂底物上分离的WSe₂和WSe₂/磷烯异质结的PL。

（c）在10、200和300 K处分离的WSe₂和WSe₂/磷烯异质结的归一化PL光谱。

图四、从实验结果和理论模型中提取STD和ISTD

（a）青色符号显示了在磷烯层数分别为1、5和50时，WSe₂/磷烯和孤立WSe₂之间随温度变化的光子能量差（ΔE）。

（b）从300到10 K，实验测量并理论拟合了不同总层数N的WSe₂/磷烯和WSe₂/hBN系统中WSe₂（τ_h）的STD。

（c）理论计算了WSe₂/50层磷烯/SiO₂系统中层数依赖的ISTD（Δτ）。

图五、在磷烯/SiO₂和WSe₂/磷烯/SiO₂系统中分辨单层的STD和ISTD

（a）在低温下5层磷烯/SiO₂系统热机械形变的示意图。

（b-c）N = 5、10、20、30、40和50时磷烯/SiO₂系统中理论计算层数依赖的τ和∆τ。

（a）在低温下WSe₂/5层磷烯/SiO₂系统热机械形变的示意图。

（b-c）N = 5、10、20、30、40和50时WSe₂/磷烯/SiO₂系统中理论计算层数依赖的τ和∆τ。

图六、磷烯和hBN的热参量

（a）实验测量和理论拟合的固有热应变作为温度的函数。

（b）磷烯和hBN的温度依赖热膨胀系数（TEC）。

五、【前景展望】

首先，研究人员提出了一种智能策略，即基于WSe₂的异质结，以研究vdW材料的机械、热和层间耦合特性。其次，ISTD模型可以定量求解不同层数的vdW材料和异质结构的各个层中的层间形变。第三，该模型可以提供重要的层间耦合信息，如磷烯/磷烯homo界面和WSe₂/磷烯异质界面的层间耦合系数和面内力。第四，与机械弯曲/拉伸相比，固有热变形诱导应变更稳定、可逆和可控，使能够提供更清晰的层间剪切变形物理图片，并准确提取关键热参数。最后，该模型可以应用并扩展到具有各种边界条件的各种变形情况（热诱导变形和机械诱导变形），其他研究人员可以轻松修改和使用该模型。因此，研究人员认为本文提供的智能实验方法、ISTD模型、清晰的物理图像和层间耦合信息将启发vdW材料中的热机械工程，并有益于二维材料的科学进展。

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

1）陈晓龙团队介绍：

陈晓龙助理教授于2018年加入南方科技大学电子与电气工程系，主要研究方向是二维材料光电与微电器件，特别是在二维黑磷物性与红外光电器件做出多项开创性成果。目前已经在Light: Science & Applications、Nature Communications、Science Advances等国际权威期刊发表论文40余篇，论文被引用>2200次（谷歌学术统计），H因子22。主持国自然青年基金，入选广东省“珠江人才”青年拔尖人才，为Nature Communications、Science Advances、 Light: Science & Applications、Advanced Materials等知名期刊特邀审稿人。

课题组主页：https://site-982068-1338-8517.mysxl.cn/

2）团队在领域工作汇总

（a）界面调控二维黑磷结构的电子散射机制，实现高性能晶体管

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

（b）电场调控黑磷能带结构，实现截至波长动态可调的中红外光电探测器 Nature Communications 8, 1672, 2017

（c）结构调控光激子形成，首次实现黑磷中红外发光二极管器件Light: Science & Applications 9, 114, 2020