發(fā)現(xiàn)具有純熱結(jié)構(gòu)相變，空氣穩(wěn)定的單層Cu2Se薄膜
發(fā)布時間：2020-09-03 作者：harry 分享到：
具有結(jié)構(gòu)相變性質(zhì)的材料具有豐富的物理和化學(xué)性質(zhì)，可滿足于多種應(yīng)用。三維材料的純熱相變在物理學(xué)中是基本的并且易于誘導(dǎo)的。在二維材料中，到目前為止，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是由應(yīng)變、激光、電子注入、電子/離子束、化學(xué)計量的熱損失、化學(xué)處理或這些方法與退火的結(jié)合引起的。然而，至今為止，保持化學(xué)計量比的純熱可逆相變在二維材料尚未見報道。
近日，中國科學(xué)院物理研究所和中國科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院科教融合研究團隊合作在Adv. Mater.上發(fā)表了一篇題目為“Air-Stable Monolayer Cu2Se Exhibits a Purely Thermal Structural Phase Transition”的研究成果。該研究報道了一種新型二維（2D）材料，單層Cu2Se的制備，并發(fā)現(xiàn)其存在純熱結(jié)構(gòu)相變。圖1 溫度為78 K和300 K下單層Cu2Se的STM圖像和原子構(gòu)型
他們在SiC上的雙層石墨烯上同時沉積Se和Cu，500 K退火后得到了單層Cu2Se。78 K時，單層Cu2Se的STM圖和原子結(jié)構(gòu)如圖1a-1d所示。存在著由于Cu2Se和石墨烯基底晶格失配引起的一維摩爾條紋。Cu2Se為方形結(jié)構(gòu)，其側(cè)視圖為“之”字形，被命名為z-Cu2Se。300 K時，單層Cu2Se的STM圖和原子結(jié)構(gòu)如圖1e-1h所示。低溫下存在的一維摩爾條紋消失。Cu2Se為六角結(jié)構(gòu)，其側(cè)視圖為直線形，被命名為l-Cu2Se。
圖2 溫度為300 K時單層Cu2Se的STEM圖像
通過對Cu2Se樣品進行掃描透射電子顯微鏡(STEM)表征，進一步證實了圖1h所示的原子結(jié)構(gòu)就是溫度為300 K時單層Cu2Se的原子結(jié)構(gòu)。l-Cu2Se的頂視圖和側(cè)視圖與圖2a和2d吻合地很好。圖2c顯示Cu2Se與石墨烯的層間距為0.34 nm，表現(xiàn)為范德華相互作用。
連續(xù)變溫下的原位低能電子衍射(LEED)表征結(jié)果如圖3所示。Cu2Se樣品78 K和300 K的LEED圖分別為3a和3b，其放大圖像分別為3i和3j，用白色圓圈標示的斑點為相變特征衍射斑點。為了更清晰的表現(xiàn)出特征斑點的變化，我們對該衍射斑點做了襯度的line profile，如圖3k所示。通過追蹤變溫過程中該特征衍射斑點的變化，可以判斷單層Cu2Se的相變溫度為~ 147 K，且該相變可逆。
圖4 ARPES和DFT計算的能帶結(jié)構(gòu)
78 K時，z-Cu2Se的能帶結(jié)構(gòu)如圖4a-4c所示，ARPES表征與DFT計算結(jié)果吻合地很好(4b)，Γ點處費米面附近的能帶劈裂為兩組。300 K時，l-Cu2Se的能帶結(jié)構(gòu)如圖4e-4g所示，ARPES表征與DFT計算結(jié)果吻合地很好(4f)，Γ點處費米面附近的能帶呈簡并狀態(tài)。隨著溫度的升高，z-Cu2Se變?yōu)?/span>l-Cu2Se，對稱性從C2變?yōu)镃3，更高的原子結(jié)構(gòu)對稱性導(dǎo)致了原本劈裂的兩組能帶簡并在了一起。
總之，研究者在在雙層石墨烯上制備了大面積、**的單層Cu2Se。通過掃描隧道顯微鏡(STM)，掃描透射電子顯微鏡(STEM)和密度泛函理論（DFT）計算確定了該材料78 K和300 K的兩個結(jié)構(gòu)相，角分辨光電子能譜結(jié)合DFT計算揭示了兩個相能帶結(jié)構(gòu)的變化，根據(jù)低能電子衍射譜隨溫度的演變，證明了兩個結(jié)構(gòu)之間的相變是可逆的，并且可以發(fā)生在整個樣品上。此外，Cu2Se單層膜在空氣中的穩(wěn)定性使得這種具有純熱相變的材料在溫度傳感器領(lǐng)域具有**潛力。進一步的理論計算也提出了這一熱結(jié)構(gòu)相變的可能機制，為尋找具有純熱結(jié)構(gòu)相變的2D材料提供了參考。
文獻鏈接：Air-Stable Monolayer Cu2Se Exhibits a Purely Thermal Structural Phase Transition, 2020, Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201908314.本工作作者為錢凱（樣品制備與掃描隧道顯微學(xué)表征）、高蕾（原理計算）、陳喜亞（掃描投射電子顯微學(xué)表征）和李航（角分辨光電子能譜表征），通訊作者為林曉（樣品制備）、杜世萱（原理計算）和高鴻鈞（掃描隧道顯微學(xué)表征）。近年來中科院物理所納米實驗室與中國科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院在新型低維功能材料研究方面開展了一系列卓有成效的合作，他們利用分子束外延、化學(xué)氣相合成等手段制備**二維原子晶體，掃描隧道顯微學(xué)與掃描投射電子顯微學(xué)相結(jié)合對其原子結(jié)構(gòu)進行表征，利用X射線光電子能譜和角分辨光電子能譜對其元素價態(tài)及電子結(jié)構(gòu)進性分析，結(jié)合原理計算，完成了新材料的制備、分析及物性調(diào)控等一系列研究。在國際上制備了單層PtSe2[Nano Letters 15, 4-13 (2015)]，周期性孔洞結(jié)構(gòu)的單層CuSe [Nature Materials 16,717 (2017)]，無孔洞的單層CuSe [Advanced Materials 30, 1707055 (2018)]，單層AgTe [Chinese Physics Letters 36 028102 (2019)]，以及結(jié)構(gòu)可調(diào)的單層石墨烯折疊結(jié)構(gòu) [Science 365, 1036 (2019)]等。
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