中国人民大学考研，中国人民大学考研分数线2023
二维（2D）材料的合理垂直整合开辟了不同的研究途径，导致了令人兴奋的凝聚态物质效应。这些有趣的效果是原子薄材料层之间相互作用的结果，这些材料会产生莫尔超晶格、混合电子结构和通常的晶体对称性的破坏。石墨烯和双层2H MoS 2等材料是中心对称的。相比之下，奇数层的二维材料（如MoS2）是非中心对称的，属于D 3h，因此表现出平面内(IP)压电性。非中心对称二维材料也会产生二次谐波发射，可用于确认不存在反演对称性。
目前的理论研究探索了过渡金属二硫化物 (TMDC) 合金在组装成垂直异质结构时的压电特性。最近，已在六方氮化硼 (h-BN) 和 TMDC 的扭曲层中观察到铁电性。扭曲双层中的铁电性和压电性起源于莫尔晶格的形成和层间滑动。在菱面体同双层 TMDC 中也观察到了铁电性和压电性。然而，在外延生长的、未扭曲的、相应堆叠的、横向大的垂直异质结构的二维 TMDC 中，平面外（OOP） 压电和铁电效应尚未被实验报道。
鉴于此，香港理工大学的刘树平 (Shu Ping Lau) 教授、中国人民大学的季威教授和剑桥大学的Manish Chhowalla教授联合开发了一种简单的一步化学气相沉积(CVD)工艺，通过在SiO2衬底上生长相应的MoS2/WS2异质双层，该种未扭曲、相称和外延的MoS2/WS2异质双层中展示了意想不到的OOP铁电性和压电性。研究人员的结果显示d33压电常数为每伏特1.95到2.09皮米，比单层In2Se3的自然OOP压电常数大约6倍。作者通过改变MoS2/WS2异质双层的极化状态，证明了在铁电隧道结器件中隧道电流调制大约三个数量级。作者的结果与密度泛函理论一致，这表明对称性破坏和层间滑动都会产生意想不到的特性，而无需调用扭曲角或莫尔域。相关研究成果以题为“Ferroelectricity in untwisted heterobilayers of transition metal dichalcogenides”发表在最新一期《Science》期刊上。
【材料制备】
作者展示了通过CVD生长的MoS2/WS2异质双层的示例（图1），该示例显示了较小的WS2三角形（横向尺寸约为10 μm），覆盖着较大的MoS2单层（横向尺寸高达200 μm）。拉曼分析（图1B）结果显示纯单层MoS2。作者还展示了覆盖较小WS 2三角形的大MoS 2层的扫描电子显微镜(SEM)图像（图1C），覆盖在WS2层边缘的较大的MoS2层在横截面图像中清晰可见（图1D）。双层的内部区域（图1E）清楚地显示了WS2顶部的MoS2层。MoS2和WS2之间的堆叠角直接取决于层间旋转角θ（图1G），简而言之，当θ=0°时，SHG发射完全建设性干扰（明亮信号），其中堆叠顺序类似于TMDC晶体中的3R堆叠（图1H）。
图 1. CVD生长的MoS2/WS2异质双层的示例图
【压电映射】
作者创造了一个交变电场（电压为VAC)局部使用导电原子力显微镜(AFM)尖端，这会导致压电材料变形，并测量和绘制变形的大小。对于PFM测量，作者将异质双层转移到导电基板上，以避免在测量过程中充电。作者展示了具有不同垂直堆叠排列的三角形的SHG图（图2A）及其相应的AFM图像（图2B）。MoS2/WS2异质双层的两种不同堆叠排列在原子力显微镜中看起来非常相似。作者进行了共振放大PFM以获得OOP压电常数，将结果映射在1.2和2.0V之间的不同电压下（图2C））。
图 2. MoS2/WS2异质双层在导电Pt涂层基板上的PFM数据
【铁电滞后】
在MoS2/WS2异质双层中观察到压电响应并不一定意味着存在铁电性，因此作者研究了异质双层的铁电响应（图3）。场外相位回路（图3A)显示了从铁电材料中的畴切换获得的典型形状。相位环在相应的场磁滞回线中也很明显（图3B），作者对大面积的异质双层（具有–8V尖端偏置）和该区域内的较小正方形（+8V尖端偏置）进行了极化。这些形状在极化后执行的相位和幅度图中进行了概述（图3C，3D）。它们在指定区域的相位方向和PFM幅度上都显示出强烈的变化。为了将基本的铁电特性转化为实际演示，作者测量了基于异质双层的 FTJ 器件的特性（图3F-H）。研究的整体滞后结果表明，MoS2/WS2异质双层，作为3m点群材料，在室温下表现出铁电特性。
图 3. MoS2/WS2异质双层中的铁电性
【晶体对称性】
作者描绘了其晶体结构的示意图（图4A），其中包括一个反转中心。如果晶体中存在反转中心，则不会发生铁电性和压电性（也称为SHG）。2H-like MoS 2/WS 2异质双层（图4B）晶体结构类似于双层2H MoS 2，除了底层的Mo原子被W原子取代。相同的对称变换也适用于类似3R的MoS2/WS2（图4C），因此两种堆叠类型都属于相同的点群。
图 4. 应变-压电常数的理论推导和铁电转换机制
【应变-压电常数的理论推导和铁电转换机制】
根据作者的计算，两个异质双层都显示出自发的非零OOP电极化。异质双层的两个相关的类AA（即对于作者的特定情况，类3R）堆叠配置的界面微分电荷密度（DCD，界面处电荷变化的量度）明确显示了顶层和底层之间的电荷再分配，图示为红色（电子积累）和绿色（电子耗尽）区域的分离（图5）。它们的线轮廓在界面处显示出明显的电极化，并且在一层横向滑动穿过大约三分之一的晶胞时，极化方向是可切换的。
图 5. 电荷密度图
【作者简介】
刘树平(Shu Ping Lau)教授，香港理工大学应用物理系讲席教授兼系主任，材料表征与器件制造实验室主任。近年来一直从事低维纳米功能材料与器件领域的研究工作，并在二维光电探测器，光电量子点及能源转化与存储器件领域有独创性的成果。至今已发表超过350篇学术论文，出版专著4部，H指数74，总引用次数21500+（google scholar）。
季威，中国人民大学教授。目前研究兴趣：与实验紧密结合，关注低维量子物态模拟，包括两个方向：1、新兴低维信息材料与器件物理：二维信息、磁性、光电材料物性预测、低维小量子体系输运性质预测、低维光电转换材料设计、透射电子显微镜电子激发态模拟。2、表面和界面上的物理、化学过程：功能化原子力显微镜模拟、表面小量子体系中的特殊电子态预测、电子激发态下的物理化学过程模拟。
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来源：高分子科学前沿
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