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[材料资讯] 刘维民等利用高通量计算揭示二维材料层间范德华相互作用

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发表于 2022-5-6 09:19:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
近日,中国科学院院士、中科院兰州化学物理研究所刘维民研究员和西北工业大学齐卫宏教授通过高通量计算和实验揭示了二维材料层间结合能与结合力的关系,提出只有层间结合力才能作为二维材料剥离难易程度的判据(而不是结合能)。
  二维材料层间的范德华相互作用是一种非键相互作用,相对化学键而言,这种更弱的相互作用使得二维材料之间可以任意堆叠而无需层间匹配晶格,容易形成二维材料范德华异质结及摩尔纹等超结构,同时带来许多新奇的物理、化学、力学等性质。目前,学术界都偏向于利用层间结合能来表征二维材料剥离的难易程度。
  研究人员认为,使用层间结合能表征二维材料剥离难易程度不够准确,而只有层间结合力才能更准确地表征二维材料剥离的难易程度。在二维材料的势能-层间距曲线上,结合能对应于势能曲线的势阱深度,而结合力则对应于势能曲线变化的拐点(相当于势能曲线二阶导数为零),层间结合力与结合能变化趋势并不相同,一些二维材料的层间结合力大但结合能小,而另一些二维材料则结合力小但结合能大。二维材料的层间结合力直接与材料的剥离力相对应,而不是结合能。
  基于这个思路,研究人员通过自己设计的下降算法调用第一性原理计算程序(VASP)进行了高通量计算,得到了230种常见二维材料的层间结合能和结合力数据(图1)。

二维材料

二维材料
图1 230种二维材料结合能与结合力的高通量计算结果
  计算结果显示,二维材料的层间结合能与结合力的趋势确实不完全一致(即结合能高不代表结合力大)。研究人员还设计了实验以检验理论预测的准确性。针对三种二维材料:石墨烯、六方氮化硼与硒化铟,通过一种独特的组装方法把二维材料附着到自制的硅球探针上,并使用这些探针在原子力显微镜下进行了高精度层间结合力测试。研究结果与计算预测完全一致,即:F石墨烯>F氮化硼>F硒化铟。这就从理论和实验上证明了只有层间结合力才能更准确地表征二维材料剥离的难易程度。相关实验结果如图2所示,其中图2(a)为二维材料包覆探针制作方法;图2(b)为石墨烯探针SEM照片;图2(c)为石墨烯典型8x8采点测定结果;图2(d)为石墨烯、六方氮化硼和硒化铟的典型力-位移曲线;图2(e)为石墨烯测定结果统计;图2(f)为六方氮化硼测定结果统计;图2(g)为硒化铟测定结果统计。

二维材料

二维材料
图2 AFM层间结合力测定结果
  新型二维材料可制备性的预测或二维范德华材料的设计,必须通过研究其层间结合力的大小予以确定;二维材料器件的层间结合稳定性也需要通过结合力才能准确表征。该工作给出的230种常见二维材料层间结合力数据比较可靠且完备。该研究结果有助于深刻理解二维材料层间范德华相互作用及建立二维材料的物理模型,并为二维材料的应用提供理论基础。
  相关研究成果以“High-Throughput Calculation of Interlayer van der Waals Forces Validated with Experimental Measurements”为题发表在Research(2022, 11, 9765121. https://doi.org/10.34133/2022/9765121)上。西北工业大学为第一完成单位,兰州化物所为第二完成单位。
  以上工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研基金和西北工业大学分析测试中心的支持。
  Research科学研究公众号报道链接:https://mp.weixin.qq.com/s/TFe18jnX-JWekI_JnJ2atg


       文章来源:兰州化物所
       刘维民,男,博士,中国科学院兰州化学物理研究所研究员,博士研究生导师。2013年当选中国科学院院士,2015年入选亚太材料科学院(APAM-Asian Pacific Academy of Materials)院士,2016年被选为发展中国家科学院(TWAS)院士。1984年毕业于山东师范大学化学系,1990年于中国科学院兰州化学物理研究所获得理学博士学位,之后工作于中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑开放研究实验室(2000年成为国家重点实验室),从事润滑材料及摩擦化学等研究工作。期间曾于1993至1994年在美国宾夕法尼亚州立大学作为高级访问学者从事为期一年的合作研究。2000年起担任固体润滑国家重点实验室主任;2002至2005年担任兰州化学物理研究所副所长及主持工作副所长;2005至2012年担任兰州化学物理研究所所长。2011至2015年担任中国机械工程学会摩擦学分会主任委员。目前兼任中国化学会、中国机械工程学会、中国微纳米学会、中国空间科学学会理事;Tribology International 共同主编(3个Editor之一),《摩擦学学报》常务副主编,Advanced Materials & Interfaces等杂志编委会委员;山东师范大学、湖北大学名誉教授,西北工业大学、山东大学、英国南安普顿大学访问教授。
       齐卫宏,教授,博士生导师,教育部新世纪优秀人才(2008),湖南省杰出青年基金获得者(2013),中南大学“升华学者“特聘教授(2011-2016),爱思唯尔中国高被引学者(2020),入选全球前2%顶尖科学家之"终身科学影响力排行榜(1960-2020)"和"年度科学影响力排行榜(2019年、2020年)"。主要研究领域:1. 超润滑及纳米摩擦学;2. 二维光电材料及器件;3. 计算材料学(第一性原理、分子动力学);4. 机器学习及材料设计。主持了二十项科研课题(国家自然科学基金3项)。在Accounts of Chemical Research、Advanced Functional Materials、Research、Small、Tribology International等刊物上发表论文145篇,论文被引3790次,单篇最高被引368次,H指数为32。以第一完成人获湖南省自然科学奖二等奖、湖南省优秀自然科学论文一等奖,还获得黄培云教育奖、陈新民教育奖、中国电信教育奖、第四届中国有色金属A级优秀图书奖等。出版教材《固体物理与计算材料》及《固体物理与计算材料导论》。指导毕业博士硕士20人,指导的研究生三人次获省优秀硕士论文奖,五人次获校优秀硕士论文奖。

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