【美丽成电·创新之美】让原子级厚度的材料更薄,只需两个钻石

——远超海底一万米压强超高压下的微观世界

文:李迪 科技日报记者 盛利 / 来源:新闻中心 / 2020-09-16 / 点击量:567

  编者按:学校新闻中心“美丽成电”主题宣传报道,旨在全面展示成电及成电人的奋斗之美、创新之美、师德之美、奉献之美、和谐之美,进一步激发广大成电人热爱成电、建设成电、奉献成电的内生动力。9月15日出版的《科技日报》深入报道了我校基础与前沿研究院夏娟研究员和王曾晖教授的最新研究成果,全文如下。

  近日,国际学术期刊Nature Physics(《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“Strong coupling and pressure engineering in WSe2-MoSe2 heterobilayers”。该工作借助能产生百万大气压压强的金刚石对顶砧(DAC)技术,针对仅有蝉翼千分之一厚度的二维异质结材料开展极高压研究。

  在研究中,科学家们巧妙地利用了二维异质结的结构特点,对仅有原子级厚度的纳米材料成功实现了高效压缩,并观察到了一系列新的物理现象。日前,科技日报记者联系到论文的两位作者夏娟研究员和王曾晖教授,为我们介绍了该工作是如何克服重重困难,最终成功观察到全新物理现象的。


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金刚石对顶砧(DAC)调控二维异质结独特层间距及层间耦合作用示意图 电子科技大学供图

重于泰山:金刚石压砧技术能轻松实现百万大气压压强

  金刚石对顶砧技术是什么?又是如何产生百万大气压的?

  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(称为砧面)之间类似于一道紧箍的极小空间的垫片。

  “当我们推动两个金刚石压砧相向而行时,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,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不断增加的海水压强。

  记者了解到,由于金刚石顶部砧面直径很小,通常只有1毫米的几分之一,差不多4~8根头发丝的直径,可以把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。而我们日常生活环境的压强是1个大气压,地心最大压强是360万个大气压,利用该装置可以轻松地实现百万大气压的高压环境。

  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“重于泰山”的泰山为例来估计一下。泰山主峰1450米高,以岩石密度为水的三倍计,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DAC产生的压强。

  自然界中,其实人类相对更有可能接触到的高压环境在深海。以世界最深的马里亚纳海沟区域为例,其最深处也是已知的海洋最深处,达11千米,即超过“海底一万米”。

  夏娟告诉记者,海水中每增加10米的深度,压力增加1个大气压,那么“海底一万米”处的压强应该约为1千个大气压,这个压强足以将一辆坦克压扁。据了解,中国的“蛟龙号”载人潜水器,当前最大下潜深度仅为7062.68米,最大工作设计深度为8000米,不能承受“海底一万米”的压强。

  “相比之下,这个能够将坦克压扁的1千个大气压,通过金刚石压砧实验装置能够轻轻松松地实现。因此,金刚石压砧在对微小样品施加超高压强方面,具有得天独厚的优势,是一项非常强大的实验手段。”夏娟说。

薄如蝉翼:利用原子级别厚度的新型材料在纳米尺度开展实验

  二维材料是一类目前受到广泛关注的新型材料,其最显著的特点是其“薄如蝉翼”的厚度,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,可以理解为就是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’。”王曾晖教授说。

  在相关的研究领域中,二维异质结是一类非常具有潜力的新型材料结构。由于人们可以自主选择采用不同的二维材料、通过不同的堆垛方式来构成各类二维异质结,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,对科学家来说,各种二维材料就是极好的乐高积木块,把不同的二维材料堆叠在一起就是他们眼中最有趣的乐高作品,也是带给他们无穷研究乐趣的“新大陆”。

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的极限了,难道还能够进一步压缩其厚度吗?“可以的。”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能的调控作用。只不过我们这个实验是在纳米尺度做的,‘蝉翼’的厚度也是在原子级别。”

  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DAC产生的压强将其在厚度方向进一步压缩。当样品所处环境压强增加到一万个大气压左右时,所研究的二维异质结与能带结构相关的物理特性发生了一些突变。这些现象可以被进一步应用在与高压传感相关的领域中,例如深地深海等极端环境下的压强传感器。


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金刚石对顶砧(DAC)高压技术装置 电子科技大学供图

  “开展基于新型敏感材料在高压下的物性研究,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产业发展,具有十分重要的科学意义和应用价值。”王曾晖说。在本工作及一系列相关研究成果的基础上,由夏娟研究员牵头,吉林大学、武汉大学、中北大学、西南石油大学等多家单位参与的一项国家重点研发计划项目“极高压二维异质结构传感器在深地环境下的机理和应用研究”即将立项,将针对本工作成果的潜在应用进一步开展系统、深入、全面的探索。“我们希望实验室中诞生的研究成果,在满足科学家们好奇心的同时,也能够最终服务于国家和社会经济的需求。”夏娟说。


  报道链接:

  http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2020-09/15/content_453653.htm?div=-1


编辑:林坤  / 审核:林坤  / 发布者:陈伟