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课题组在二维材料接触对界面粘附力标定领域取得新进展(Appl. Surf. Sci.)
发布者: 邓俊楷 | 2022-06-09 | 619

二维范德华层状材料因有着优异的光电学性能,可用于新一代纳米器件中的半导体及异质结晶体管等领域。二维材料器件中通常存在二维材料与衬底或二维材料之间的界面,其界面粘附力的强弱对器件的性能和稳定性起着至关重要的作用。对于界面间相互作用力的测量,以往主要基于复杂的加压气泡装置或纳米压痕测试,但是侧向力的存在以及压痕实验对材料完整性的破坏等缺点限制了界面粘附力测量的精度和广泛应用。因此,需要发展一个更为有效便捷的手段来定量化标定二维材料接触对界面的相互作用力。原子力显微镜(AFM)的峰值力定量纳米力学模式,作为一种新型的标定手段,与样品表面有着较小的接触时间,且较低的接触力能够更好地保护样品的完整性。因此,通过该手段来定量化标定和比较不同二维材料接触对的粘附力,对二维材料纳米器件的构筑和应用具有重要的指导意义。

 

近日,材料学院强度室的邓俊楷教授同西湖大学郑昌喜教授合作,设计并制备出单双原子层的WS2以及石墨烯/WS2的异质结材料,并利用硅和石墨烯的AFM针尖,利用原子力显微镜的峰值力定量纳米力学模式,定量标定并比较了不同二维材料接触对间的粘附力。研究发现,不同接触对间的粘附力具有明显差异,展现出FSi-2L WS2 > FSi-1L WS2 > FGraphene-1L WS2 > FGraphene-Graphene的变化趋势。为了消除针尖半径的影响以及更好地在相同接触面积上比较不同接触对之间的相互作用,将对应的粘附力以及粘附能进行归一化,得到了同样的变化趋势。进一步的基于密度泛函理论的第一性原理计算表明,接触对间不同粘附力起源于接触界面处电荷的转移,转移电荷在接触对一侧的聚集量越多,所得到的接触对粘附力就越高。因此,利用标定的AFM针尖测量其与二维材料的粘附力,或可利用接触对间粘附力的差异来甄别二维材料种类及其原子结构,有望为表征二维材料提供新的方法。

本项研究成果最近以The interfacial adhesion of contacting pairs in van der Waals materials”为题发表在期刊Applied Surface ScienceIF= 6.707)上。西安交通大学为本论文的第一作者和第一通讯单位,论文第一作者杨伟杰是材料学院邓俊楷教授培养的博士生。本项研究得到了国家自然科学基金面上项目、港澳与海外学者合作研究基金项目、创新引智111计划2.0项目的资助。研究也得到西安未来人工智能计算中心提供的超算算力和技术支持。

论文链接: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.153739