讓原子級厚度的材料更薄,只需兩個鑽石

8月24日,國際學術期刊《自然·物理》在線刊發了電子科技大學夏娟研究員、王曾暉教授與合作者的研究成果《二硒化鎢-二硒化鉬雙層異質結的層間強耦合及高壓調控研究》。他們藉助能產生百萬大氣壓強的金剛石對頂砧(DAC)裝置,針對僅有蟬翼千分之一厚度的二維異質結材料開展了極高壓研究。

讓原子級厚度的材料更薄,只需兩個鑽石

在研究中,科學家們巧妙地利用了二維異質結的結構特點,對僅有原子級厚度的納米材料實現了高效壓縮,並觀察到了一系列新奇的物理現象。

重於泰山:金剛石壓砧技術

「金剛石對頂砧裝置在對微小樣品施加超高壓強方面,具有得天獨厚的優勢,是一項非常強大的實驗手段。」夏娟說。

那麼,金剛石對頂砧裝置是如何產生超高壓強的?

金剛石對頂砧裝置的主要部分是兩顆尖對着尖的鑽石(金剛石壓砧),以及包圍住兩顆金剛石尖頂(也稱為砧面)之間極小空間的墊片。

「當我們推動金剛石壓砧中的兩個金剛石相向而行時,金剛石尖頂之間的空間被急劇壓縮,空間中除了樣品,還充滿了液體傳壓介質(例如硅油)。」夏娟解釋說,由於墊片就像一道箍一樣,緊緊地箍住了這些液體傳壓介質令其無處釋放,因此樣品所在空間的壓強就會急劇上升,從而在樣品上施加一個巨大的靜水壓,類似於潛入深海時受到的不斷增加的海水壓強。

記者了解到,由於金剛石頂部砧面直徑很小,通常只有幾分之一毫米,即差不多4—8根頭發絲的直徑,因此可以把金剛石底部平面受到的壓力高效集聚,從而在金剛石的頂部達到很高的壓強。我們日常生活環境的壓強是1個大氣壓,海底一萬米的壓強約為1000個大氣壓,而利用該裝置則可輕松實現百萬大氣壓的高壓環境。

那麼百萬大氣壓究竟有多大呢?人們常開玩笑說「壓力山大」,我們以泰山為例來估算一下。泰山主峰1450米高,以岩石密度為水的3倍計,則被壓在山底下需要承受來自山體的壓強為400多個大氣壓。因此,「重於泰山」其實遠遠不足以形容金剛石對頂砧產生的壓強。

薄如蟬翼:新型二維異質結材料

二維材料是一類目前受到廣泛關注的新型材料,其最顯著的特點是可以薄到僅有原子級別,仍然能夠保持優異的材料性能。那「原子級別」究竟是多薄呢?一般的蟬翼是幾個微米的厚度(也就是頭發絲的十分之一左右),而物理學家研究的二維材料一般是納米級別的厚度,甚至不到蟬翼的千分之一。因此,「薄如蟬翼」其實遠遠不足以形容二維材料的薄。

那什麼是二維異質結呢?「從結構上來說,可以理解為將不同的二維材料通過特定的方式堆垛起來,構成新的二維材料,類似於將兩片(或多片)不同的『蟬翼』貼在一起,形成一種新的『復合蟬翼』。」王曾暉說。

對科學家來說,各種二維材料就像樂高積木一樣:通過選擇採用不同的二維材料、不同的堆垛方式,可以構成各類新奇的樂高作品——二維異質結。這就相當於可以人為地設計出幾乎無限多種新型二維結構,而每種結構都可能具有不同的材料物理特性,因此在很多研究領域中,二維異質結都是一類非常具有潛力的新型材料結構。

以泰山之重壓蟬翼之薄

那麼,既然二維材料已經薄到原子級別了,還能夠進一步壓縮其厚度嗎?專家給出了肯定的答案。

夏娟說:「這個研究,有點類似於把二維異質結這樣的『復合蟬翼』放到萬噸水壓機中間,利用重於泰山的極高壓強來使兩片『蟬翼』貼合得更為緊密,從而改變兩層『蟬翼』之間的相互作用,並觀測這一過程對整張『復合蟬翼』性能的調控作用。只不過我們這個實驗是在納米尺度進行的。」

研究團隊在實驗過程中證實,盡管二維異質結的厚度已經在原子級別了,但是由於其結構的特點,仍然能夠通過金剛石對頂砧裝置產生的壓強將其的厚度進一步壓縮。當樣品所處環境壓強增加到一萬個大氣壓左右時,研究者們成功觀察到了二維異質結的能帶結構及相關物理特性所發生的突變。

「雖然這個工作是非常基礎的物理研究,但從應用角度來說,開展基於新型敏感材料在高壓下的物理特性研究,對於開發新型超高壓傳感器,推動我國深地深海探測技術進步,加快頁岩氣等現代能源戰略的產業發展,同樣具有十分重要的科學意義和應用價值。」王曾暉說。

來源:cnBeta