新型二维原子晶体硒化亚铜的制备及其纯热驱动结构相变的研究
2019年8月31日
材料的结构相变是重要的物理性质之一，有着丰富的应用。三维材料的纯热相变在物理学中是最基本的并且易于诱导的。在二维材料中，到目前为止，结构转变是由应变、激光、电子注入、电子/离子束、化学计量的热损失、化学处理或这些方法与退火的结合引起的。比如：单层MoS2和MoTe2的结构相变需要通过合金化间接实现电子掺杂或者电子直接注入等方法诱导发生；单层VS2、VSe2和PtSe2的结构相变需要对材料进行热处理形成S/Se原子空位，从而诱导其结构相变等。这些结构相变引入的杂质、缺陷等通常会对二维材料的本征物性有影响，且相变所需的外部环境复杂，其应用受到了严重限制。因此，寻找和开发具有纯结构相变特性的二维材料具有十分重要的意义。
近日，中国科学院物理研究所高鸿钧院士、杜世萱研究员与中国科学院大学物理科学学院林晓教授组成的科教融合研究团队在Adv. Mater.上发表了一篇题目为“Air-Stable Monolayer Cu2Se Exhibits a Purely Thermal Structural Phase Transition”的研究成果。该研究报道了一种新型二维材料，单层Cu2Se的制备，并发现其存在纯热驱动结构相变。
通过在双层石墨烯/SiC基底上同时沉积Se和Cu，并500 K退火，得到了单层Cu2Se样品。其STM表征结果和第一性原理计算结果如图1所示。78 K时，样品存在着由于Cu2Se和石墨烯基底晶格失配引起的一维摩尔条纹。Cu2Se为方形结构，其侧视图为“之”字形，被命名为z-Cu2Se。300 K时，低温下存在的一维摩尔条纹消失。Cu2Se为六角结构，其侧视图为直线形，被命名为l-Cu2Se。进一步的STEM表征结果（图2）显示Cu2Se与石墨烯的层间距为0.34 nm，表现为范德华相互作用。连续变温下的原位LEED表征结果（图3）证明了结构相变发生在整个样品上，相变温度为~ 147 K，并且是可逆的。样品的ARPES表征结果与DFT计算结果吻合地很好(图4)，随着温度的升高，z-Cu2Se变为l-Cu2Se，对称性从C2变为C3，更高的原子结构对称性使得原本劈裂的两组能带简并在一起。此外，单层Cu2Se样品在空气中的稳定性使得这种具有纯热相变的材料在温度传感器领域具有极大潜力。进一步的理论计算也提出了这一热结构相变的可能机制，为寻找具有纯热结构相变的2D材料提供了参考。
相关工作近期发表在《Advanced Materials》32, 1908314 (2020)上。该工作受到国家自然科学基金(2016YFA0202300, 2018YFA0305800, 2019YFA0308500, 61888102, 61925111, 61622116, 51872284, 51622211)、中国科学院重点研究项目(XDB30000000 and XDB28000000)和K. C. Wong教育基金的资助。
文章链接：
图1. 78 K和300 K时，单层Cu2Se的STM图和原子结构图
图2. 300 K时，单层Cu2Se的STEM图
图3. Cu2Se样品连续变温下的原位LEED表征结果
图4. 78 K和300 K时，Cu2Se样品的ARPES和DFT能带结构