中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
N04組供稿
第13期
2021年02月09日
新型二維原子晶體硒化亞銅的制備及其純熱驅動結構相變的研究

  材料的結構相變是一個很普遍的物理過程,有著極豐富的應用。人們很早就開始研究純熱驅動的三維材料結構相變,並擴展到其他因素引起的相變。而在二維材料中,已發現的結構轉變是由應變、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合引起的。比如:單層MoS2和MoTe2的結構相變需要通過合金化間接實現電子摻雜或者電子直接注入等方法誘導發生;單層VS2、VSe2和PtSe2的結構相變需要對材料進行熱處理形成S/Se原子空位,從而誘導其結構相變等。這類結構相變過程中引入的雜質、缺陷等通常會對二維材料的本征物性有影響,且相變所需的外部環境複雜,其應用受到了嚴重限制。因此,尋找和開發具有純熱驅動結構相變特性的二維材料具有十分重要的意義。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心纳米物理与器件重点实验室高鸿钧院士带领的研究团队多年来一直致力于新型二维晶体材料的制备、物性与应用基础研究,取得了一系列重要研究成果。近期,该组博士生钱凯(已毕业)与杜世萱研究组的博士生高蕾(已毕业)和中国科学院大学林晓教授等合作,对单层Cu2Se的制備及其純熱驅動結構相變進行了研究。

  钱凯等通过在SiC基底上的双层石墨烯上同时沉积Se和Cu,并500 K退火,得到了单层Cu2Se样品。该样品的扫描隧道显微表征(STM)实验结果和基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算结果如图1所示。78 K时,Cu2Se爲方形結構,其側視圖爲“之”字形,被命名爲ζ相-Cu2Se,STM圖清楚地顯示出Cu2Se和石墨烯晶格失配引起的一维摩尔条纹。300 K时,一维摩尔条纹消失,Cu2Se爲六角結構,其側視圖爲直線形,被命名爲λ相-Cu2Se。掃描透射電子顯微表征(STEM)(圖2)發現Cu2Se與石墨烯的层间距为0.34 nm,两者之间的相互作用为范德华相互作用。连续变温的原位低能电子衍射(LEED)实验结果(图3)证明了整个样品表面均发生了结构相变,相变温度约为147 K,并且ζ-Cu2Se與λ-Cu2Se的相變是可逆的。角分辨光電子能譜(ARPES)表征結果及DFT計算結果(圖4)表明,隨著溫度的升高,ζ-Cu2Se變爲λ-Cu2Se,對稱性從C2變爲C3,更高的原子結構對稱性使得原本劈裂的兩組能帶簡並在一起。穩定性測試揭示單層Cu2Se樣品可在空氣中穩定存在。進一步的理論計算提出了純熱驅動二維材料結構相變的可能機制,爲尋找具有類似特性的二維材料提供了參考。這樣一個空氣中穩定的、熱驅動即能實現相變的材料在溫度傳感器等領域具有潛在的應用前景。

  相关工作发表在Adv. Mater. 32, 1908314 (2020)上。该研究成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院先导专项等的支持。

  文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201908314


图1. 78 K和300 K下单层Cu2Se的STM圖和原子結構圖


图2. 300 K下单层Cu2Se的STEM圖


图3. Cu2Se樣品原位連續變溫LEED表征結果


图4. 78 K和300 K下Cu2Se樣品的ARPES和DFT能帶結構