研究：讓原子級(jí)厚度的材料更薄 只需兩個(gè)鉆石

8月24日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然·物理》在線刊發(fā)了電子科技大學(xué)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(zhì)結(jié)的層間強(qiáng)耦合及高壓調(diào)控研究》。他們借助能產(chǎn)生百萬大氣壓強(qiáng)的金剛石對(duì)頂砧(DAC)裝置，針對(duì)僅有蟬翼千分之一厚度的二維異質(zhì)結(jié)材料開展了極高壓研究。

在研究中，科學(xué)家們巧妙地利用了二維異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)僅有原子級(jí)厚度的納米材料實(shí)現(xiàn)了高效壓縮，并觀察到了一系列新奇的物理現(xiàn)象。

重于泰山：金剛石壓砧技術(shù)

“金剛石對(duì)頂砧裝置在對(duì)微小樣品施加超高壓強(qiáng)方面，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，是一項(xiàng)非常強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)手段。”夏娟說。

那么，金剛石對(duì)頂砧裝置是如何產(chǎn)生超高壓強(qiáng)的?

金剛石對(duì)頂砧裝置的主要部分是兩顆尖對(duì)著尖的鉆石(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(dāng)我們推動(dòng)金剛石壓砧中的兩個(gè)金剛石相向而行時(shí)，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(zhì)(例如硅油)。”夏娟解釋說，由于墊片就像一道箍一樣，緊緊地箍住了這些液體傳壓介質(zhì)令其無處釋放，因此樣品所在空間的壓強(qiáng)就會(huì)急劇上升，從而在樣品上施加一個(gè)巨大的靜水壓，類似于潛入深海時(shí)受到的不斷增加的海水壓強(qiáng)。

記者了解到，由于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(fā)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(dá)到很高的壓強(qiáng)。我們?nèi)粘Ｉ瞽h(huán)境的壓強(qiáng)是1個(gè)大氣壓，海底一萬米的壓強(qiáng)約為1000個(gè)大氣壓，而利用該裝置則可輕松實(shí)現(xiàn)百萬大氣壓的高壓環(huán)境。

那么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，以巖石密度為水的3倍計(jì)，則被壓在山底下需要承受來自山體的壓強(qiáng)為400多個(gè)大氣壓。因此，“重于泰山”其實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以形容金剛石對(duì)頂砧產(chǎn)生的壓強(qiáng)。

薄如蟬翼：新型二維異質(zhì)結(jié)材料

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

那什么是二維異質(zhì)結(jié)呢?“從結(jié)構(gòu)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(gòu)成新的二維材料，類似于將兩片(或多片)不同的‘蟬翼’貼在一起，形成一種新的‘復(fù)合蟬翼’。”王曾暉說。

對(duì)科學(xué)家來說，各種二維材料就像樂高積木一樣：通過選擇采用不同的二維材料、不同的堆垛方式，可以構(gòu)成各類新奇的樂高作品——二維異質(zhì)結(jié)。這就相當(dāng)于可以人為地設(shè)計(jì)出幾乎無限多種新型二維結(jié)構(gòu)，而每種結(jié)構(gòu)都可能具有不同的材料物理特性，因此在很多研究領(lǐng)域中，二維異質(zhì)結(jié)都是一類非常具有潛力的新型材料結(jié)構(gòu)。

以泰山之重壓蟬翼之薄

那么，既然二維材料已經(jīng)薄到原子級(jí)別了，還能夠進(jìn)一步壓縮其厚度嗎?專家給出了肯定的答案。

夏娟說：“這個(gè)研究，有點(diǎn)類似于把二維異質(zhì)結(jié)這樣的‘復(fù)合蟬翼’放到萬噸水壓機(jī)中間，利用重于泰山的極高壓強(qiáng)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，并觀測(cè)這一過程對(duì)整張‘復(fù)合蟬翼’性能的調(diào)控作用。只不過我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在納米尺度進(jìn)行的。”

研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)過程中證實(shí)，盡管二維異質(zhì)結(jié)的厚度已經(jīng)在原子級(jí)別了，但是由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，仍然能夠通過金剛石對(duì)頂砧裝置產(chǎn)生的壓強(qiáng)將其的厚度進(jìn)一步壓縮。當(dāng)樣品所處環(huán)境壓強(qiáng)增加到一萬個(gè)大氣壓左右時(shí)，研究者們成功觀察到了二維異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)及相關(guān)物理特性所發(fā)生的突變。

“雖然這個(gè)工作是非?；A(chǔ)的物理研究，但從應(yīng)用角度來說，開展基于新型敏感材料在高壓下的物理特性研究，對(duì)于開發(fā)新型超高壓傳感器，推動(dòng)我國深地深海探測(cè)技術(shù)進(jìn)步，加快頁巖氣等現(xiàn)代能源戰(zhàn)略的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同樣具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。”王曾暉說。(李 迪 記者 盛 利)

關(guān)鍵詞： 原子級(jí)厚度 材料更薄