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                  让原子级厚度的材料更薄,只需两个钻石

                  日期 2020-09-15   来源:新华网 来源:科技日报   作者:李迪 记者 盛利  【 】   【打印】   【关闭

                    8月24日,国际学术期〗刊《自然·物理》在线』刊发了电子科技大学夏娟研究员、王曾晖教授与合作者的研究成果《二硒化钨-二硒化钼双层异质结的层@ 间强耦合及高压调控研究》。他们借助能产◣生百万大气压强的金刚石对顶▽砧(DAC)装置,针对仅有蝉翼千分之一厚度的二维异质结材料开展了极高压研究。

                    在研究中,科学家们巧妙地利用了二维异质结的结构特点〇,对仅▲有原子级厚度的纳米材料实现了高效压缩,并观察到了一系列新奇的物理现象。

                    重于泰山:金刚◆石压砧技术

                    “金刚石对顶砧装置在对微小样品施加超高压强▲方面,具有得天独厚々的优势,是一项非常强大的实验手段。”夏娟说。

                    那么,金刚石对顶砧装置是ξ 如何产生超高压强的?

                    金刚石对顶砧装置的主要部分是两颗尖♀对着尖的钻石(金刚石压砧),以及包围住两颗金刚石尖顶(也称为砧面︼)之间极小空间的垫片。

                    “当我们推动金刚石压砧中的两个金刚石相向而行∮时,金刚石尖顶之间的空间被急剧压√缩,空间中除了样品,还充满了液体◢传压介质(例如硅油)。”夏娟解释说,由于垫片就╱像一道箍一样,紧紧地箍住了这些∞液体传压介质令其无处释放,因此样品所在空间的压强就会急剧上升,从而在样品上施加一个巨大的静水压,类似于潜入深海时受到的不∏断增加的海Ψ水压强。

                    记者了解到,由于金刚石顶部砧面直径很小,通常只有几分之一↘毫米,即差不多4—8根头发丝的直径,因此可以把金刚〓石底部平面受到的压力高效集「聚,从而在金刚石的顶部达到很高的压强。我们日常生◣活环境的压强是1个大气压,海底一万米的压强约为1000个大气压,而↑利用该装置则可轻松实现百万大气压ζ的高压环境。

                    那么百万大气压究竟有多大呢?人们常开玩笑说∞“压力山大”,我们以泰山为例来估算一下。泰山主峰1450米高,以岩石密度☆为水的3倍计,则被压在山底下需要承受』来自山体的压强为400多个大气压。因此,“重于泰山”其实远远不足以形容金刚石对顶砧产生的↙压强。

                    薄如蝉翼:新型二维异质结材料

                    二维材料是⌒一类目前受到广泛关注的新」型材料,其最显著的特点是可以薄到仅有原子级别,仍然能够保持优异的材料性能㊣ 。那“原子级别”究竟是多薄呢?一般的蝉翼是几个微米的★厚度(也就是头发丝的十分之一左△右),而物理学家研究的二维材料一般是纳米级别〓的厚度,甚至不到蝉翼的千分之一。因此,“薄如蝉翼”其实远远不足以形容二维材料的薄。

                    那什么是二☉维异质结呢?“从结构上来说,可以理解为将不同的二维材料通过特定的∴方式堆垛起来,构成新的二维材料,类似于将两▓片(或多片)不同的‘蝉翼’贴在一起,形成一种新的‘复合蝉翼’。”王曾晖说。

                    对科学家来说,各种二维材料就像乐高积木※一样:通过选择采用不同的二维材料、不同的堆▅垛方式,可以构成各类新奇的乐高作品——二维异质结。这就相当于可以人为地设计出几乎无限多种新〗型二维结构,而每种结构都可能具有不同的材料物理特性,因此ω 在很多研究领域中,二维异质结都是一类非常具有潜力的新型材料结构。

                    以◎泰山之重压蝉翼之薄

                    那么,既然二维材料已经薄到原子级别了,还能够进一步压缩其︾厚度吗?专家给出了肯定的答案。

                    夏娟说:“这个研究,有点类似于把二维异质结这样的‘复合蝉翼’放到万吨水压々机中间,利用重于泰山的极高压强来使两片‘蝉翼’贴合得更为紧密,从而█改变两层‘蝉翼’之间的相互作用,并观测这一过程对整张‘复合蝉翼’性ㄨ能的调控作用。只不过我们这个实验是在纳米尺度进行的。”

                    研究团队在实验过程中证←实,尽管二维异质结的厚度已经在原子级别了,但是由于其结【构的特点,仍然能够通过金刚石对→顶砧装置产生的压强将其的厚度进一步压缩。当样品所处环境压¤强增加到一万个大气压左右时,研究者√们成功观察到了二维异质结的能带结♀构及相关物理特性所发生的突变。

                    “虽然这个工作是非常基础的物理研究,但从应用角度来说,开展基于新型敏感材料在高压◥下的物理特性研究,对于开发新型超高压传■感器,推动我国深地深海探测技术∮进步,加快页岩气等现代能源战略的产业发展,同样具有十分重要ㄨ的科学意义和应用价值。”王曾晖说。