PRL: 納米尺度二維材料的熱膨脹系數研究

【引言】

二維材料，包括石墨烯，過渡金屬二硫屬元素化物及其異質結構，在晶體管、自旋電子學和光伏等各種應用領域具有巨大的潛力。同時，器件的小型化在電氣性能方面具有顯著的改進，但是在設計基于二維材料的電子器件時，要克服的一個基本障礙即是在常見溫度測量中空間分辨率的缺失。

【成果簡介】

?近日，美國伊利諾伊大學芝加哥分校胡軒（第一作者）、Robert F. Klie（通訊作者）等研究人員報道了一種新穎的納米尺度測溫方法來測量溫度，并在掃描透射電子顯微鏡結合電子能量損失譜的基礎上量化了二維材料的熱膨脹系數，確定二維材料的等離子體共振峰的能量偏移是樣品溫度的函數。通過將這些測量結果與第一性原理計算相結合，直接確定了獨立單層和塊體石墨烯以及單層MoS₂，MoSe₂，WS₂或WSe₂的熱膨脹系數（TECs）。該研究發表于Physical Review Letters，題為“Mapping Thermal Expansion Coefficients in Freestanding 2D Materials at the Nanometer Scale”。

?【圖文導讀】

?圖1. 低損耗EELS光譜與函數關系表征

（a）單層WSe₂的低損耗EELS光譜，溫度在373K和723K之間。（b）來自（a）的每個光譜的等離子體激元能量作為溫度的函數。

（c）-（e）分別為石墨烯、MoS₂、MoSe₂、WS₂和WSe₂的層數與能量位移（dE / dT）的函數關系。

圖2. MoSe₂納米片的表征

（a）MoSe₂納米片的HAADF圖像。

（b）標稱樣品溫度為573K時MoSe₂相關的溫度圖。

（c）為（a）和（b）的疊加圖，顯示了不同厚度（I，II，III）的三個區域。

（d）每個區域的溫度分布。。

圖3. 單層石墨烯的低損耗EEL譜及表征

（a）計算具有不同晶格常數的單層石墨烯的低損耗EEL譜。

（b）來自（a）的每個光譜的等離子體能量與晶格常數a的函數關系。

（c）對比參考數據，測量了薄膜和塊體石墨烯與TMDs的面內TECs。 誤差條以藍色顯示，并以實驗不確定度來計算等離子體能量的偏移。

圖4. MoSe₂的HAADF圖像及表征

（a）623K下的MoSe₂的HAADF圖像和在雙層（DL）和四層（QL）區域邊緣中的局部熱膨脹系數的空間分辨圖。

（b）為（a）中黑線所示界面的熱膨脹系數的譜線輪廓。

（c）在573K拍攝的MoS₂的典型的原子分辨率HAADF圖像。

（d）在573K下在幾個MoS₂層圖像對比的譜線輪廓。

【小結】

?該項工作提出了一種利用高分辨率STEM成像耦合EEL光譜技術得到二維材料中TECs的納米尺度映射的新方法。測量方法利用了2D材料的等離子體振子峰的偏移，測得的等離子體能量位移表現出對二維層數的依賴性，研究人員將其歸因于2D材料中的量子限制效應。他們考慮到二維材料的樣品厚度，以原子層數為單位，表明了可以用納米分辨率來映射局部溫度。利用DFT和RPA進行理論計算，比較了2D和散裝材料的熱膨脹系數，發現與現有的參考數據相當吻合。通過測量接近表面，晶界或異質界面的TEC，他們可以預測和控制由各種器件操作引起的失配和熱應變，避免應變誘導（熱機械）斷裂或電子性質的變化。

文獻鏈接： Mapping Thermal Expansion Coefficients in Freestanding 2D Materials at the Nanometer Scale (Physical Review Letters 2018, DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.055902)

本文由材料人計算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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