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【研究背景】
机电耦合作为将机械变形转化为电能最为有效的形式之一，在电子工程领域得到了广泛的应用。近年来针对纳米材料，特别是石墨烯和MoS2等二维材料中的机电耦合研究主要集中在它们的压电性能上，而忽略了挠曲电效应。一般来说，压电性仅限于具有非中心对称晶体结构的材料。挠曲电，即由应变梯度引起的电极化，是解释在弯曲原子薄二维材料中出现明显平面外压电现象的中心原因。与压电效应相比，挠曲电响应容易依赖于应变梯度，这使得挠曲电效应在不同材料体系中有更广泛的应用。然而，由于受到技术上的挑战和物理结构的不明确，纵向挠曲电系数(μ11)的量化作为一个极其关键的问题，其相关研究进展较为缓慢。由于多层原子之间存在复杂的层间相互作用，很难建立合适的少层原子理论模型进行理论计算。同时，在实验观测中，如何在有效诱导挠曲电效应的同时无损地量化薄膜的应变梯度是十分困难的。对挠曲电性质的认识不足，极大地阻碍了基于层状半导体柔性器件的研发和应用。因此，提出一种可靠和准确的创新方法来直接量化原子薄半导体材料的挠曲电系数有着重要的科学意义。
【成果简介】
近日，华东师范大学物理与电子科学学院胡志高教授团队开展了二维材料纵向挠曲电系数量化的研究，提出了一种广泛适用的方法和可量化的普适性公式来确定任何二维材料的系数。该团队设计了悬浮原子层状结构，旨在独立的二维材料上诱导挠曲电效应。悬浮结构不仅有利于形成大形变，而且可以有效地避免衬底效应，从而准确测定二维薄膜的系数。基于独特的悬浮结构，以MX2 (M=W, Mo;X=S, Se)薄膜等二维材料为代表，提出了直接量化系数的一般公式。根据该公式，利用原位显微拉曼光谱和PFM成像方法对二维材料的系数进行了实验测量。实验测定单层弯曲MoS2薄片的系数约为0.061 µC/m，与先前报道的数量级估计很好地吻合，证明了公式推导的准确性。此外，该公式广泛适用于层相关二维材料系数的计算。团队首次得到了弯曲层相关的WS2, WSe2, MoS2和MoSe2的系数。在此过程中，进一步探索了力学性能依赖的常数，该常数可以通过改变二维薄膜的厚度来调节。相关成果以“Directly Measuring Flexoelectric Coefficients μ11 of the van der Waals Materials”为题发表在国际著名期刊《Materials Horizons》上 (DOI: 10.1039/d2mh00984f)。
上述工作受到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目以及上海市科委基础研究重点项目的资助。
【图文介绍】
图1.二维材料挠曲电系数测量的悬空结构示意图。(a) 多孔衬底上单层MoS2的光学和AFM显微图像。沿红线的高度剖面图显示在右侧地形图的插图中。(b) 悬浮单层MoS2的AFM形貌图。插图是沿孔直径的扫描高度图。
图2.计算弯曲薄膜挠曲电系数的物理图像。图中给出了每个参数的定义。
图3. 悬浮单层MoS2的E2g拉曼模式(a)强度和(b)峰位映射图。(c) 沿孔直径从中心到右边缘的一组拉曼光谱。(d)和(e)
声子的峰位和半高宽随着r/R参数的变化规律。(f) 应变分布随着r/R参数的变化规律。
图4. (a) 在0、1、2、3 V驱动电压下，单层MoS2的面外压电响应图像。(b) 支撑和悬浮单层MoS2在不同电压下的平均压电响应振幅。实线为最小二乘拟合曲线。(c) 沿孔直径的有效压电系数随着r/R参数的变化规律。
若干典型MX2薄膜的纵向挠曲电系数实验测量结果。
【课题组简介】
胡志高教授课题组依托纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心和上海市极化材料多功能磁光光谱公共技术服务平台【课题组主页链接：http://spec-lab.ecnu.edu.cn/】，以研究光电功能材料及微纳器件、新型二维半导体及电子器件以及研发极端条件下光电特性测试系统为主要目标，为新功能和新概念的光电功能器件提供理论基础和技术支撑。近年来课题组在Mater. Horiz.、Small、PRApplied、PRB及JPCL等国际应用物理与材料著名学术期刊上发表SCI收录论文100多篇，相关成果曾获得上海市自然科学二等奖。胡志高教授主持并完成科技部国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目以及上海市科委/教委重点项目等十多项科研课题。
胡志高：华东师范大学物理与电子科学学院教授、博士生导师。2008年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2010年入选上海市“曙光学者计划”，2010年获聘上海高校特聘教授(东方学者)，2014年入选上海市“优秀学术带头人计划”以及2014年获聘上海高校特聘教授(东方学者)跟踪计划等。
崔安阳：华东师范大学物理与电子科学学院博士后，现就职于上海师范大学数理学院物理系。先后主持国家自然科学基金青年基金项目以及中国博士后科学基金，2020年入选上海“超级博士后”激励计划。研究方向为新型铁电/压电材料的晶格动力学及物理机制研究。近期主要工作以第一/通讯作者主要发表在PRB、PRApplied、Mater. Horiz.和Small等物理和材料领域的国际期刊上。
近期代表作：
1.M.H. Deng, X. Wang, X.H. Xu, A.Y. Cui*, K. Jiang, J.Z. Zhang, L.Q. Zhu, L.Y. Shang, Y.W. Li, Z.G. Hu*, and J.H. Chu, Directly Measuring Flexoelectric Coefficients μ11of the van der Waals Materials, Mater. Horiz. DOI:10.1039/d2mh00984f.
2.Y.T. Yan, A.Y. Cui, K. Dai, Y. Ye, K. Jiang, J.Z. Zhang, J.J. Feng, H.L. Dong, Z.G. Hu*, Pressure- and Temperature-Induced Structural Phase Diagram of Lead-Free (K0.5Na0.5)NbO3-0.05LiNbO3Single Crystals: Raman Scattering and Infrared Study, ACS Appl. Mater. Interfaces 14: 45590-45599 (2022).
3.S.B. Li, M. Li, L. Chen, X.H. Xu, A.Y. Cui*, X. Zhou, K. Jiang, L.Y. Shang, Y.W. Li, J.Z. Zhang, L.Q. Zhu, Z.G. Hu*, and J.H. Chu, Ultra-Stable, Endurable, and Flexible Sb2TexSe3-x Phase Change Devices for Memory Application and Wearable Electronics, ACS Appl. Mater. Interfaces 14: 45600-45610 (2022).
4.A.Y. Cui, Y. Ye, K. Dai, Y.W. Li, L.Q. Zhu, K. Jiang, L.Y. Shang, G.S. Xu, Z.G. Hu*, S.J. Zhang, and J.H. Chu, Designing Monoclinic Heterophase Coexistence for the Enhanced Piezoelectric Performance in Ternary Lead-Based Relaxor Ferroelectrics,ACS Appl. Mater. Interfaces 14: 10535-10545 (2022).
5.K. Dai, A.Y. Cui*, Y. Ye, K. Jiang, J.Z. Zhang, Y.W. Li, G.S. Wang, X.L. Dong, Z.G. Hu*, and J.H. Chu, Phase diagram with an antiferroelectric/ferroelectric phase boundary in AgNbO3-LiTaO3 energy-storage ceramics by lattice dynamics and electronic transitions, Phys. Rev. B 104 (18): 174104 (2021).
6.X. Wang, X. Zhou, A.Y. Cui*, M.H. Deng, X.H. Xu, L.P. Xu, Y. Ye, K. Jiang, L.Y. Shang, L.Q. Zhu, J.Z. Zhang, Y.W. Li, Z.G. Hu*, and J.H. Chu Flexo-Photoelectronic Effect in n-type/p-type Two-Dimensional Semiconductors and a Deriving Light-Stimulated Artificial Synapse, Mater. Horiz. 8 (7): 1985-1997 (2021).
来源：作者团队
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/MH/D2MH00984F
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