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    科研進展

    蘭州化物所與西北工業大學研究人員利用高通量計算揭示二維材料層間范德華相互作用

    發表日期:2022-04-29來源:蘭州化學物理研究所放大 縮小

      近日,中國科學院院士、中科院蘭州化學物理研究所劉維民研究員和西北工業大學齊衛宏教授通過高通量計算和實驗揭示了二維材料層間結合能與結合力的關系,提出只有層間結合力才能作為二維材料剝離難易程度的判據(而不是結合能)。 

      二維材料層間的范德華相互作用是一種非鍵相互作用,相對化學鍵而言,這種更弱的相互作用使得二維材料之間可以任意堆疊而無需層間匹配晶格,容易形成二維材料范德華異質結及摩爾紋等超結構,同時帶來許多新奇的物理、化學、力學等性質。目前,學術界都偏向于利用層間結合能來表征二維材料剝離的難易程度。 

      研究人員認為,使用層間結合能表征二維材料剝離難易程度不夠準確,而只有層間結合力才能更準確地表征二維材料剝離的難易程度。在二維材料的勢能-層間距曲線上,結合能對應于勢能曲線的勢阱深度,而結合力則對應于勢能曲線變化的拐點(相當于勢能曲線二階導數為零),層間結合力與結合能變化趨勢并不相同,一些二維材料的層間結合力大但結合能小,而另一些二維材料則結合力小但結合能大。二維材料的層間結合力直接與材料的剝離力相對應,而不是結合能。 

      基于這個思路,研究人員通過自己設計的下降算法調用第一性原理計算程序(VASP)進行了高通量計算,得到了230種常見二維材料的層間結合能和結合力數據(圖1)。 

    1 230種二維材料結合能與結合力的高通量計算結果 

      計算結果顯示,二維材料的層間結合能與結合力的趨勢確實不完全一致(即結合能高不代表結合力大)。研究人員還設計了實驗以檢驗理論預測的準確性。針對三種二維材料:石墨烯、六方氮化硼與硒化銦,通過一種獨特的組裝方法把二維材料附著到自制的硅球探針上,并使用這些探針在原子力顯微鏡下進行了高精度層間結合力測試。研究結果與計算預測完全一致,即:F石墨烯>F氮化硼>F硒化銦。這就從理論和實驗上證明了只有層間結合力才能更準確地表征二維材料剝離的難易程度。相關實驗結果如圖2所示,其中圖2(a)為二維材料包覆探針制作方法;圖2(b)為石墨烯探針SEM照片;圖2(c)為石墨烯典型8x8采點測定結果;圖2(d)為石墨烯、六方氮化硼和硒化銦的典型力-位移曲線;圖2(e)為石墨烯測定結果統計;圖2(f)為六方氮化硼測定結果統計;圖2(g)為硒化銦測定結果統計。 

    2 AFM層間結合力測定結果 

      新型二維材料可制備性的預測或二維范德華材料的設計,必須通過研究其層間結合力的大小予以確定;二維材料器件的層間結合穩定性也需要通過結合力才能準確表征。該工作給出的230種常見二維材料層間結合力數據比較可靠且完備。該研究結果有助于深刻理解二維材料層間范德華相互作用及建立二維材料的物理模型,并為二維材料的應用提供理論基礎。 

      相關研究成果以“High-Throughput Calculation of Interlayer van der Waals Forces Validated with Experimental Measurements”為題發表在Research2022, 11, 9765121. https://doi.org/10.34133/2022/9765121上。西北工業大學為第一完成單位,蘭州化物所為第二完成單位。 

      以上工作得到了國家自然科學基金、中央高?;究蒲谢鸷臀鞅惫I大學分析測試中心的支持。 

      Research科學研究公眾號報道鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/TFe18jnX-JWekI_JnJ2atg

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