材料的結(jié)構(gòu)相變是一個普遍的物理過程，具有豐富的應用。學界在很久之前便開始研究純熱驅(qū)動的三維材料結(jié)構(gòu)相變，并擴展到其他因素引起的相變。在二維材料中，已發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變由應變、激光、電子注入、電子/離子束、化學計量的熱損失、化學處理或這些方法與退火相結(jié)合而引起。例如，單層MoS2和MoTe2的結(jié)構(gòu)相變需要通過合金化間接實現(xiàn)電子摻雜或電子直接注入等方法誘導發(fā)生；單層VS2、VSe2和PtSe2的結(jié)構(gòu)相變需要對材料進行熱處理形成S/Se原子空位，從而誘導其結(jié)構(gòu)相變等。這類結(jié)構(gòu)相變過程中引入的雜質(zhì)、缺陷等通常會對二維材料的本征物性產(chǎn)生影響，且相變所需的外部環(huán)境復雜，其應用受到限制。因此，尋找和開發(fā)具有純熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)相變特性的二維材料具有重要意義。

中國科學院院士、中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室研究員高鴻鈞帶領(lǐng)的團隊長期致力于新型二維晶體材料的制備、物性與應用基礎(chǔ)研究，取得了一系列重要研究成果。近期，該組博士生錢凱（已畢業(yè)）與研究員杜世萱課題組的博士生高蕾（已畢業(yè)）和中國科學院大學教授林曉等合作，對單層Cu2Se的制備及其純熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)相變進行了研究。

研究人員通過在SiC基底上的雙層石墨烯上同時沉積Se和Cu，并500 K退火，得到了單層Cu2Se樣品。該樣品的掃描隧道顯微表征（STM）實驗結(jié)果和基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算結(jié)果如圖1所示。78 K時，Cu2Se為方形結(jié)構(gòu)，其側(cè)視圖為“之”字形，被命名為ζ相-Cu2Se，STM圖顯示出Cu2Se和石墨烯晶格失配引起的一維摩爾條紋。300 K時，一維摩爾條紋消失，Cu2Se為六角結(jié)構(gòu)，其側(cè)視圖為直線形，被命名為λ相-Cu2Se。掃描透射電子顯微表征（STEM）（圖2）發(fā)現(xiàn)，Cu2Se與石墨烯的層間距為0.34 nm，兩者之間的相互作用為范德華相互作用。連續(xù)變溫的原位低能電子衍射（LEED）實驗結(jié)果（圖3）證明了整個樣品表面均發(fā)生了結(jié)構(gòu)相變，相變溫度約為147 K，且ζ-Cu2Se與λ-Cu2Se的相變是可逆的。角分辨光電子能譜（ARPES）表征結(jié)果及DFT計算結(jié)果（圖4）表明，隨著溫度的升高，ζ-Cu2Se變?yōu)棣?Cu2Se，對稱性從C2變?yōu)镃3，更高的原子結(jié)構(gòu)對稱性使原本劈裂的兩組能帶簡并在一起。穩(wěn)定性測試揭示單層Cu2Se樣品可在空氣中穩(wěn)定存在。通過進一步的理論計算，研究人員提出了純熱驅(qū)動二維材料結(jié)構(gòu)相變的可能機制，為尋找具有類似特性的二維材料提供了參考。這樣一個在空氣中穩(wěn)定的、熱驅(qū)動即能實現(xiàn)相變的材料在溫度傳感器等領(lǐng)域具有潛在的應用前景。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Adv. Mater. 32, 1908314 (2020)上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項等的支持。

論文鏈接

圖1.78 K和300 K下單層Cu2Se的STM圖和原子結(jié)構(gòu)圖

圖2.300 K下單層Cu2Se的STEM圖

圖3.Cu2Se樣品原位連續(xù)變溫LEED表征結(jié)果

圖4.78 K和300 K下Cu2Se樣品的ARPES和DFT能帶結(jié)構(gòu)