程志海課題組發(fā)展和利用新型多頻靜電力顯微術(shù)實現(xiàn)二維原子晶體界面應(yīng)變調(diào)控的成像研究
中國人民大學(xué)物理學(xué)系程志海教授、季威教授等與北京理工大學(xué)宇航學(xué)院、大阪大學(xué)工學(xué)院應(yīng)用物理系等合作，發(fā)展和利用多頻靜電顯微術(shù)（Multiharmonic
Electrostatic Force Microscopy, MH-EFM）、接觸共振原子力顯微術(shù)（Contact Resonance Atomic
Force Microscopy, CR-EFM）等，成功實現(xiàn)了二維原子晶體界面應(yīng)變調(diào)控結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的成像研究。該成果于2020年9月發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會納米（ACSNANO）雜志上。
圖1 （a-c）二維材料在不同尺度下的俯視和側(cè)視圖。在宏觀與介觀尺度下，邊界不會影響材料的對稱性，薄膜對稱性由其幾何形狀決定，即具有六重對稱性。在納米尺度下，邊界和原子結(jié)構(gòu)的對稱性導(dǎo)致薄膜的對稱性降低，即具有三重對稱性。（d）密度泛函理論（DFT）模擬的模型示意圖。（e-f）在外界各向同性的壓力下，不同區(qū)域（Zigzag和Klein區(qū)）體現(xiàn)出不同的位移、力學(xué)和電學(xué)特性。
Philip W. Anderson 認為：對稱性在物理學(xué)當中起著極其重要的作用。在凝聚態(tài)體系，對稱性破缺可以引發(fā)超導(dǎo)、磁性、鐵電等許多有趣的現(xiàn)象或性質(zhì)等。在晶體中，無限大的體相晶體擁有高的對稱性，而對于實際的有限大晶體其平移對稱性將由于表面（對于二維晶體則是邊界）的存在而被打破，此時其原子結(jié)構(gòu)特征會在表面或邊界表現(xiàn)出來。以石墨烯、過渡金屬硫族化合物為代表的二維原子晶體材料，在未來電子學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。具有六角晶格結(jié)構(gòu)的二維材料，如MoS2、WS2等，一般具有各向同性的面內(nèi)性質(zhì)，其中心反演反對稱的性質(zhì)，一般只能體現(xiàn)在倒空間相關(guān)的性質(zhì)上，如Valley物理性質(zhì)上。
我們通過研究發(fā)現(xiàn)，對于二維原子晶體在有限尺寸邊界、原子結(jié)構(gòu)上中心反演反對稱以及各向同性的應(yīng)力作用下，其原子尺度上的對稱性（中心反演反對稱）會擴展到介觀微米尺度并伴隨有力學(xué)、電學(xué)等的性質(zhì)變化。這表明來源于原子尺度上的對稱性可以在實空間擴展到微米介觀尺度，也意味著我們可以通過原子尺度對稱性、有限尺寸下的形狀以及外界應(yīng)力等的設(shè)計，進一步實現(xiàn)二維原子晶體性質(zhì)的圖案化并用于微納光電子學(xué)器件等。
圖2 （a-b）多頻靜電力顯微術(shù)原理示意圖。（c-d）單層WS2單晶的光學(xué)與原子力顯微鏡形貌圖。（e-h）WS2表面電勢、載流子和拉曼成像圖。
程志海課題組一直致力于發(fā)展先進掃描探針顯微技術(shù)，并利用其在低維和表界面物理體系開展創(chuàng)新性研究工作。相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點研發(fā)專項以及中國人民大學(xué)研究基金等的資金支持。
文章標題：Atomically Asymmetric Inversion Scales up to Mesoscopic Single-Crystal Monolayer Flakes
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06198
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