廈門大學Nano Lett.:二硫化鉬的反贗霍爾?佩奇效應

【引言】

近年來，二硫化鉬具有非常獨特的電學、磁學、光學和力學特性而迅速成為材料科學和凝聚態物理領域最為活躍的研究前沿，二硫化鉬在微電子器件，光電器件和生物醫學領域具有重要的應用前景。然而，在現有技術條件下，制備出的大面積二硫化鉬薄膜都不可避免的會含有空位缺陷和晶界，晶界和空位缺陷的存在可以改變二硫化鉬的電學、磁學、光學特性。二硫化鉬的變形、應力分布及斷裂強度等力學特性對基于二硫化鉬的器件功能的實現會有重要影響。但由于對原子層厚納米薄膜力學性能的力學性質測試仍存在著諸多困難和挑戰，導致鮮有報道二硫化鉬的力學特性實驗測量。這個基礎科學問題極大地限制了這類材料在電子器件等領域的發展。系統、深入地認識二硫化鉬材料的基本力學行為對該類二維材料的發展及實際應用具有十分重要的理論指導意義。

【成果簡介】

近日，來自廈門大學的吳建洋副教授（通訊作者）和來自的挪威科技大學Zhiliang Zhang教授（共同通訊作者） 團隊在Nano Letters發表了題為Grain-Size-Controlled Mechanical Properties of Polycrystalline Monolayer MoS₂的文章，利用泰森多邊形法構建多晶二硫化鉬全原子模型，高溫退火獲得能量低的二硫化鉬，發現晶界缺陷（5|7, 4|4, 4|6, 4|8 和6|8位錯缺陷）與實驗合成下的二硫化鉬一致，然后采用大規模非平衡分子動力學技術實現對含缺陷的多晶二硫化鉬的單和雙周拉伸動態加載，獲取宏觀面內應力-應變響應曲線，發現了二硫化鉬的反贗霍爾?佩奇效應。該研究成果豐富了以二硫化鉬為代表的過渡族金屬二硫化物低維材料的斷裂力學行為，為這一類材料的實驗微觀結構力學設計及實際應用奠定基礎。

【圖文導讀】

圖1：晶體結構圖多晶二硫化鉬的晶界結構及晶界位錯

(a):多晶二硫化鉬透視圖；

(b):多晶二硫化鉬的網絡似晶界結構；

(c):多晶二硫化鉬的von Mises 應力分布；

(d):一個典型晶粒的原子結構；

(e):Y-形狀晶界原子結構。

圖2 ：多晶二硫化鉬的晶界結構及晶界位錯

(a):退火溫度對多晶二硫化鉬的應力應變響應影響；

(b):在1000K退火溫度下多晶二硫化鉬的晶界結構；

(c):在1500K退火溫度下多晶二硫化鉬的晶界結構；

(d):在2000K退火溫度下多晶二硫化鉬的晶界結構；

(e):在2500K退火溫度下多晶二硫化鉬的晶界結構；

(f):在3000K退火溫度下多晶二硫化鉬的晶界結構。

圖3：多晶二硫化鉬的力學性質

?

(a):單軸應變動態加載下多晶二硫化鉬的應力應變響應；

(b):雙軸應變動態加載下多晶二硫化鉬的應力應變響應；

(c):單軸拉伸模量對多晶二硫化鉬的晶粒尺寸的依賴關系；

(d):單軸拉伸強度對多晶二硫化鉬的晶粒尺寸的依賴關系；

(e):單軸拉斷裂應變對多晶二硫化鉬的晶粒尺寸的依賴關系；

(f):雙軸拉伸模量對多晶二硫化鉬的晶粒尺寸的依賴關系；

(g):雙軸拉伸強度對多晶二硫化鉬的晶粒尺寸的依賴關系；

(h):雙軸拉斷裂應變對多晶二硫化鉬的晶粒尺寸的依賴關系。

圖4：多晶二硫化鉬的破壞機制

(a-e):單軸加載下多晶二硫化鉬的晶粒間及穿晶斷裂模式；

(f-i):典型晶界破壞模式及沿Armchair和Zigzag斷裂擴展。

圖5：預裂縫單晶二硫化鉬的裂紋擴展機制

(a-b):單軸加載下Armchair邊預裂縫單晶二硫化鉬的原子拉伸應力、von Mises應力分布及裂紋擴展；

(c-d):單軸加載下Zigzag邊預裂縫單晶二硫化鉬的原子拉伸應力、von Mises應力分布及裂紋擴展。

【小結】

該團隊通過平面限制淬火法仿真制備了納米多晶二硫化鉬材料，力學測試發現了發現了二硫化鉬的反贗霍爾?佩奇效應。這表明二硫化鉬材料的力學性能可以通過調節晶界位錯結構及晶粒大小,該工作為基于具有較好機械性能的二硫化鉬器件功能的開發提供了參考。

文獻鏈接：Grain-Size-Controlled Mechanical Properties of Polycrystalline Monolayer MoS₂（Nano Lett 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b05433）

【作者簡介】

吳建洋副教授，2013年畢業于挪威科技大學工學院，獲得哲學博士學位。目前主要從事微納米材料力學、非常規能源力學及開發等的研究，研究成果以第一或通信作者發表在包括Nat. Commun.、Nano Lett.、JACS、Small、Carbon等SCI文章20余篇。

本文由廈門大學物理系提供。

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