一种探测范德华层状材料层间剪切热形变的光学方法

来源：南方科技大学

     近日，南方科技大学电子与电气工程系助理教授陈晓龙课题组在《自然通讯》（Nature Communications）上发表研究成果，发展了一种探测范德华层状材料层间剪切热形变的光学方法，并定量表征了其面内剪切热形变与层间剪切热形变。 

       机械和热变形是目前最常规的应变引入方法，即通过图案化衬底、鼓泡和弯折柔性衬底等方法诱导晶格畸变，在此基础上发现了丰富的具有应用潜质的新物理图像。范德华层状材料有着优异的力学性能，如高面内韧性与弯曲弹性，为施加应变工程提供了得天独厚的研究平台，然而目前缺乏表征范德华材料层间微小机械/热形变的有效策略。

图1. a, 温度由T0降至T1时，N层黑磷/二氧化硅体系的剪切热形变模型示意图。b，利用黑磷通过范德华力耦合将剪切热形变传递给单层WSe2，从而引起WSe2发光光谱的改变。c，单层WSe2在不同温度下的发光光谱。d，结合实验和理论模型的提取的层间剪切热形变。

       作为直接带隙半导体，单层二硒化钨（WSe2）有着很高的发光效率；此外，其能带结构具有高应变敏感性，对其应变调制的光致发光光谱已有广泛研究。有鉴于此，陈晓龙团队设计了一个基于单层二硒化钨的垂直范德华异质结构，该结构中顶层二硒化钨被用作原位应变计，其变温光致发光谱可直接反映出下层范德华材料的力学行为（如图1所示）。

       此外，通过考虑同质界面（黑磷-黑磷）与异质界面（黑磷-二硒化钨）的层间耦合作用，以及黑磷与二硒化钨的杨氏模量和热膨胀系数，建立了有效的范德华材料层间剪切热形变模型。结合实验数据与理论模型，可定量逐层求解出黑磷的面内剪切热形变与层间剪切热形变。同时，还可得到黑磷温度依赖的热膨胀系数以及同质界面与异质界面处的层间耦合系数。