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程志海课题组发展和利用新型多频静电力显微术实现二维原子晶体界面应变调控的成像研究

| 2020-09-24

中国人民大学物理学系程志海教授、季威教授等与北京理工大学宇航澳门赌博平台、大阪大学工澳门赌博平台应用物理系等合作,发展和利用多频静电显微术(Multiharmonic Electrostatic Force Microscopy, MH-EFM)、接触共振原子力显微术(Contact Resonance Atomic Force Microscopy, CR-EFM)等,成功实现了二维原子晶体界面应变调控结构与性质的成像研究。该成果于2020年9月发表在美国化学学会纳米(ACSNANO)杂志上。

图1 (a-c)二维材料在不同尺度下的俯视和侧视图。在宏观与介观尺度下,边界不会影响材料的对称性,薄膜对称性由其几何形状决定,即具有六重对称性。在纳米尺度下,边界和原子结构的对称性导致薄膜的对称性降低,即具有三重对称性。(d)密度泛函理论(DFT)模拟的模型示意图。(e-f)在外界各向同性的压力下,不同区域(Zigzag和Klein区)体现出不同的位移、力学和电学特性。


Philip W. Anderson 认为:对称性在物理学当中起着极其重要的作用。在凝聚态体系,对称性破缺可以引发超导、磁性、铁电等许多有趣的现象或性质等。在晶体中,无限大的体相晶体拥有高的对称性,而对于实际的有限大晶体其平移对称性将由于表面(对于二维晶体则是边界)的存在而被打破,此时其原子结构特征会在表面或边界表现出来。以石墨烯、过渡金属硫族化合物为代表的二维原子晶体材料,在未来电子学领域具有重要的应用价值。具有六角晶格结构的二维材料,如MoS2、WS2等,一般具有各向同性的面内性质,其中心反演反对称的性质,一般只能体现在倒空间相关的性质上,如Valley物理性质上。

我们通过研究发现,对于二维原子晶体在有限尺寸边界、原子结构上中心反演反对称以及各向同性的应力作用下,其原子尺度上的对称性(中心反演反对称)会扩展到介观微米尺度并伴随有力学、电学等的性质变化。这表明来源于原子尺度上的对称性可以在实空间扩展到微米介观尺度,也意味着我们可以通过原子尺度对称性、有限尺寸下的形状以及外界应力等的设计,进一步实现二维原子晶体性质的图案化并用于微纳光电子学器件等。


图2 (a-b)多频静电力显微术原理示意图。(c-d)单层WS2单晶的光学与原子力显微镜形貌图。(e-h)WS2表面电势、载流子和拉曼成像图。

程志海课题组一直致力于发展先进扫描探针显微技术,并利用其在低维和表界面物理体系开展创新性研究工作。相关研究工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发专项以及中国人民大学研究基金等的资金支持。


文章标题:Atomically Asymmetric Inversion Scales up to Mesoscopic Single-Crystal Monolayer Flakes

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