原子尺度探索旋转二维材料的摩尔结构

赵晓续

2021-04-17

第一作者：赵晓续，乔婧思，曾思敏

通讯作者：罗健平，Steve Pennycook，郭淑瑛

通讯单位：新加坡国立大学，中国科学院大学

研究亮点：

1. 首次报道公度旋转二维材料的五种摩尔相

2. 原子尺度解析公度、和非公度旋转二维材料的应力场及其形成机理

3. 旋转二维材料的异构机理和影响

研究背景

2018年《Nature》杂志连续报道了麻省理工学院研究人员在旋转“魔角”双层石墨烯结构中成功实现了能带半满填充状态下的绝缘体，继而实现铜氧化物高温超导中的物理现象。该实验第一次在纯碳基二维材料中实现超导电性，对高温超导机理研究乃至量子自旋液体的探索等强关联电子材料中前沿问题有着重要的启示，引起了全球各地科研团队对旋转二维材料的极大热情。

理论预测旋转二维材料的超导机制及其他物理学特性与层间电子强关联效应息息相关。在旋转导致的周期性原子错位下，费米速度接近于零并形成平坦的能带，电子之间的相互作用不再微弱，从而诱导出一些列奇异物理学现象。因此周期性电子强关联和面内原子存在的周期性重构，即应力场，有着密不可分的关系。然而迄今为止旋转二维材料的摩尔原子结构及其应力场至今未被实验在原子尺度精确测量。除此之外，不同旋转二维材料的应力场分布规律以及所对应的形成机制也是未解之谜，其所涉及的一系列奇异光学，电学，磁学性质都有待深入的研究和探讨。

成果简介

鉴于此，新加坡国立大学Loh Kian Ping（罗建平）课题组利用新一代配有ASCOR球差器的JEOL-ARM200F低压球差扫描透射电子显微镜对一系列旋转二维材料的原子摩尔结构及其应力场做了深入研究和分析。

要点1：旋转二维材料不同相的结构

通过球差电镜分析不同高角度旋转下的双层二维材料，本文作者发现在了多种不同摩尔斑纹，即不同相的存在。通过大量实验对比和验证，系统解析出了由于层间滑移所产生的五种不同相。结合实验和泛函理论发现随着旋转角度的变小，即摩尔周期的变大，旋转二维材料不同相的结构差异性会逐渐变小，直到最后完全消失。

图1. 旋转二维材料多变的相结构。

图2. 五种旋转二维材料的相结构及能量势垒。

要点2：二维材料的应力场

通过衍射数据和理论模拟，本文作者发现旋转二维材料的结构异构和二维材料的氧族原素息息相关，反而和金属原子有较少关联，发现在旋转双层PtTe₂中的原子异构可达到将近10皮米，而MoS₂中仅有约1皮米。通过后期泽尔尼克图像分析法，我们发现应力场主要集中在畴界中并形成平面蜂窝状的周期性结构，而且原子的异构总是向着稳定堆垛结构演变。通过大量实验和泛函计算，发现应力场的形成是由于层间范德华力与材料应变能之间的竞争关系所导致。

图3. 旋转二维材料的原子异构。

图4. 旋转二维材料的应力场及原子动力学研究。

通过原子动态学和泛函理论研究发现，旋转二维材料中相转变的能量势垒比非旋转材料低两个数量级，且各相间的电子结构差异性极小。单张电镜照片的成像剂量已经可以诱导出大量相转变。因此，旋转二维材料中，角度是影响旋转二维材料物性的重要变量，其很多奇异的物理学性质和自发形成的应力场有密切的关系。

该工作系统分析了旋转二维材料的微观结构和应力场，对继续探索旋转二维材料奇异物理学性质有着重要指导意义。

图5. 旋转二维材料的电子结构。

小结

该工作第一次系统分析了旋转二维材料的精细结构及应力场，对进一步探索和挖掘旋转材料体系奇异物性有着重要指导意义

参考文献

Xiaoxu Zhao, et al. Unveiling Atomic-Scale Moiré Features and Atomic Reconstructions in High-Angle Commensurately Twisted Transition Metal Dichalcogenide Homobilayers. Nano Letters.

DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00563

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.1c00563

作者简介

罗健平 （Loh Kian Ping）是新加坡国立大学化学系首席教授暨石墨烯研究中心领衔人，2018（化学）、2019（材料、化学、物理）、2020（材料、物理）高被引科学家，亚太材料科学院院士、曾荣获新加坡共和国最高科技奖-总统科学奖，仅在Nature、Science正刊及其系列子刊就以通讯作者发表论文30余篇，包括Nature（3篇）、Nat. Mater.（2篇）、Nat. Nanotechnol.（3篇）、Nat. Chem.（4篇）、Nat. Energy、Nat. Photon.、Sci. Adv.（2篇）等。在JACS, Advanced Materials, ACS Nano等其他高影响因子的杂志发表的论文亦多达350余篇。罗健平教授担任美国化学协会杂志Chemistry of Materials副主编，英国物理所杂志2D Materials副主编, 杂志 Materials Horizon的科学编辑，以及杂志Advanced Functional Materials国际顾问委员会成员。目前主要关注二维无机层状材料、杂化有机-无机钙钛矿、共轭有机框架的可控生长，及其在铁磁、自旋功能器件和能源相关的单原子催化等方面的应用。

赵晓续现为南洋理工大学校长博士后研究员(Presidential Postdoctoral Fellow)，2014年本科毕业于南洋理工大学，2018年博士毕业于新加坡国立大学，2015-2016年于美国橡树岭国家实验室访问学习，2018-2020年于新加坡国立大学进行博士后研究工作，研究方向为利用球差扫描透射电子显微镜在高空间和高能量分辨率下对纳米功能材料的结构，性质，及原子尺度下微观结构的动态研究。至今为止，已经发表80余篇SCI论文，包括Nature, Nat. Mater., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.等。

课题组主页：http://carbonlab.science.nus.edu.sg/index.html