二維材料可以進(jìn)行范德華堆疊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料性質(zhì)的“維度控制”。當(dāng)二維材料以一定扭轉(zhuǎn)角度堆疊時(shí)，體系還可能表現(xiàn)出超導(dǎo)特性、關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)、摩爾激子、堆疊依賴的層間磁性和拓?fù)錁O化等新奇現(xiàn)象，由此催生了“扭轉(zhuǎn)電子學(xué)”這一新領(lǐng)域。隨著扭轉(zhuǎn)電子學(xué)的興起，扭轉(zhuǎn)角度對(duì)于二維材料層間耦合作用的影響引起了很大關(guān)注。然而，現(xiàn)有的研究多集中在扭轉(zhuǎn)角度對(duì)于層間電子耦合或電聲耦合的影響上，而對(duì)于二維材料層間力學(xué)作用與扭轉(zhuǎn)角度的關(guān)系的研究則仍在起步階段，缺少行之有效的實(shí)驗(yàn)方法和理論模型。作為二維材料力學(xué)性質(zhì)最為行之有效的測(cè)量方法，納米壓痕法（Nanoindentation）廣泛應(yīng)用于懸空二維材料的彈性模量和斷裂強(qiáng)度的測(cè)量。但是當(dāng)利用納米壓痕法定量測(cè)試二維材料層間力學(xué)作用時(shí)，二維材料在懸空區(qū)域會(huì)同時(shí)存在面內(nèi)彈性變形和層間剪切變形，兩種變形難以從實(shí)驗(yàn)和理論上進(jìn)行區(qū)分。因此在人們先前的研究中納米壓痕法只能用于定性地估計(jì)二維材料層間力學(xué)作用，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)定量表征，更無(wú)法測(cè)量層間作用與轉(zhuǎn)角的依賴關(guān)系。針對(duì)此問(wèn)題，清華大學(xué)材料學(xué)院劉鍇副教授課題組與航天航空學(xué)院李曉雁教授課題組合作，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)上干、濕兩步分離的二維材料轉(zhuǎn)移技術(shù)，將雙層MoS2的面內(nèi)彈性變形和層間剪切變形分開(kāi)，并基于此建立了具有普適性的剪切邊界模型，研究了扭轉(zhuǎn)雙層MoS2層間力學(xué)作用與扭轉(zhuǎn)角度的定量關(guān)系。通過(guò)對(duì)150多個(gè)扭轉(zhuǎn)雙層MoS2樣品的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，MoS2的層間剪切應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)角度無(wú)明顯依賴關(guān)系，證明以任何扭轉(zhuǎn)角度堆疊的雙層MoS2都具有相近的剪切應(yīng)力。該研究所發(fā)展出的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論模型，對(duì)于理解二維材料層間力學(xué)作用的扭轉(zhuǎn)角度依賴性具有重要的意義。
圖1. 扭轉(zhuǎn)雙層MoS2的制備與表征
圖2. 納米壓痕法測(cè)試扭角雙層MoS2上層的彈性模量。該方法首先將CVD生長(zhǎng)的單層MoS2利用PMMA濕法轉(zhuǎn)移到多孔SiO2/Si基底上，并通過(guò)溶劑浸泡與蒸發(fā)的過(guò)程去除懸空部位，只留下與基底貼合的MoS2；隨后在該MoS2層上利用PMDM干法隨機(jī)堆疊上層MoS2，并在這一步避免溶劑浸泡，以保持上層懸空MoS2完好而不破損。由于CVD生長(zhǎng)的MoS2單晶呈現(xiàn)正三角形，因此其扭轉(zhuǎn)角度可以簡(jiǎn)單地用光學(xué)顯微鏡測(cè)量（圖1b）。在這一實(shí)驗(yàn)方法中，上層MoS2受到下層MoS2的約束，在有基底支撐處以范德華力結(jié)合。利用AFM探針對(duì)上層懸空MoS2施加應(yīng)力，測(cè)試其應(yīng)變（圖2a）。采用固定邊界條件下簡(jiǎn)單的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可得到了上層MoS2的名義彈性模量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上層MoS2的名義彈性模量與層間扭轉(zhuǎn)角度無(wú)關(guān)，但其數(shù)值相比直接轉(zhuǎn)移在SiO2/Si基底上的樣品小15%左右（圖2c）。這一事實(shí)說(shuō)明，MoS2較弱的層間作用導(dǎo)致上層MoS2彈性模量測(cè)試值低于真實(shí)值?？紤]到彈性模量是材料的本征性質(zhì)，不應(yīng)與約束條件或測(cè)試方法有依賴關(guān)系，本研究提出了剪切邊界模型，用以描述上層MoS2在納米壓痕實(shí)驗(yàn)中的受力情況。該模型假設(shè)：在懸空區(qū)域，上層MoS2僅受到探針施加的彈性應(yīng)力，而在有支撐的區(qū)域，上層MoS2受到平行與基底的拉應(yīng)力和層間剪切應(yīng)力的作用（圖3d）。通過(guò)模型分析，本研究建立了全新的剪切邊界模型，并獲得了載荷-下壓位移的近似公式，該公式同時(shí)考慮了二維材料的預(yù)應(yīng)力、彈性模量和層間剪切的貢獻(xiàn)，比固定邊界條件模型更具普適性。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘法擬合該公式，即可獲得MoS2的層間剪切應(yīng)力。通過(guò)對(duì)30個(gè)不同扭轉(zhuǎn)角度的150余個(gè)樣品測(cè)試分析，研究發(fā)現(xiàn)其層間剪切應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)角度之間無(wú)明顯的依賴關(guān)系（圖4a）。分子動(dòng)力學(xué)模擬納米壓痕過(guò)程也給出相同的結(jié)論。這一現(xiàn)象是由于二維材料的層間作用是長(zhǎng)程平均后的范德華力，因此克服了扭轉(zhuǎn)晶格結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，不具有扭轉(zhuǎn)角度的依賴性。
圖3. 利用滑移邊界模型分析扭轉(zhuǎn)雙層MoS2的層間剪切作用。
圖4. MoS2的層間剪切作用無(wú)扭轉(zhuǎn)角度依賴性。
相關(guān)成果以“納米壓痕法測(cè)定扭轉(zhuǎn)雙層MoS2的層間剪切”（Determining the interlayer shearing in twistedbilayer MoS2 by nanoindentation）為題，近日在線發(fā)表在國(guó)際著名期刊《自然?通訊》（Nature Communications）上。清華大學(xué)材料學(xué)院2021屆博士畢業(yè)生孫雨飛、航天航空學(xué)院2022屆博士畢業(yè)生王宇嘉以及材料學(xué)院2022屆博士畢業(yè)生王恩澤、王博倫為文章的共同第一作者。清華大學(xué)材料學(xué)院劉鍇副教授、航天航空學(xué)院李曉雁教授為文章的共同通訊作者。論文的其他重要合作者還包括中科院物理所谷林教授、張慶華副研究員等。本工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31685-7
參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/96746.htm
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