基于扫描探针技术的二维材料异质结力学、电学和摩擦学研究

发布时间：2021-07-23 01:55

　　自2004年Andre Geim发现石墨烯以来,二维材料家族得到了极大的扩充。这些原子级厚度的二维材料,展现出和块体材料不一样的新奇性质。除了最早发现的具有高迁移率的半金属石墨烯外,还发现了半导体性的例如以单层二硫化钼为代表的二维硫属过渡金属化合物,绝缘体性的例如单层六方氮化硼,以及具有铁磁性的例如二维三碘化铬和具有超导性的二维钡锶钙铜氧化物,不一而足。另一方面由于二维材料层与层之间靠弱范德华作用力相互结合,因此二维材料的堆叠结构,例如层数,转角等可较容易地被调制,最终改变其性能甚至产生新的性质。将不同的二维材料组合在一起形成异质结并且调控其堆叠结构提供了搭建各种异质结的方法,也意味着其难以想象的丰富性质。这些二维材料及其异质结,有的具有极好的电学,力学和光学性能,在特定使用条件下优于目前任何一种材料,具有极高的应用前景;有的具有极特殊的物理性质,可为基础物理学研究提供一个良好的平台。对于二维材料的表征,以原子力显微镜为代表的扫描探针技术,得益于其原子级分辨率,对探测二维材料各类性质具有天然的优势。高分辨的原子力显微镜不仅能精确获得二维材料的表面形貌,得到样品厚度,粗糙度方面的信息,还... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市

【文章页数】：98 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

（a）几种典型的二维材料(1)

二维材料和三维材料。零维材料的代表是量子点以及富勒烯，而纳米线碳纳米管是典型的一维材料，我们日常所接触的大部分材料都是三维材料。以看出，零维材料是材料尺度在三维坐标下三个维度方向都受限，一维材料材料尺度在两个维度下受限，而三维材料不受限。由量子力学知识我们知道由于尺寸效应，当材料某一维度尺寸被压缩时，电子在其中的运动必然受限这会导致能带发生变化，甚至发生能级分立。这样的变化产生了纳米材料诸不同于其块体的新奇性质，例如金属到绝缘体转变，量子点发光等等。同理如果一种材料尺度只在一个维度上受限，那么其应被称为二维材料，也应该于尺寸效应产生诸多新奇的性质。但在 Geim 发现石墨烯时之前，二维材料认为是热力学上不稳定的。二维材料概念也是 Geim 发现石墨烯时提出，目我们认为当一种材料仅具有一个或者几个原子层厚度，同时其厚度相较其他个维度尺寸可忽略不计，电子在其中运动受到限制仅可做二维运动的材料可之为二维材料(4)。

4图 1.3：转角调控二维材料的性质。（a）双层石墨烯摩尔超晶格器件(8)。（b）“魔角”状态下双层石墨烯的超导特性(10)。（c）转角对双层二硫化钼的能带调控(13)。弱层间相互作用还赋予了二维材料一个更加吸引人的性质，通过组合原子层厚不同种类的二维材料，我们可以按照我们的意愿“搭建”二维材料异质结，从而获得难以想象的新奇性质。每一种二维材料都是一个原子层厚的“乐


本文编号：3298351