清華新聞網(wǎng)3月5日電 近年來(lái)，相關(guān)研究表明，對(duì)二維材料進(jìn)行層間扭轉(zhuǎn)調(diào)控可誘導(dǎo)出非常規(guī)超導(dǎo)、關(guān)聯(lián)拓?fù)鋺B(tài)、鐵電性等一系列新奇的物理現(xiàn)象。這些現(xiàn)象主要源于材料內(nèi)部形成的莫爾超晶格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠顯著改變?cè)芯Ц竦膶?duì)稱(chēng)性并重構(gòu)電子能帶。在微小扭轉(zhuǎn)角度下，原子尺度重構(gòu)會(huì)引發(fā)納米尺度變形，對(duì)材料的電子特性與拓?fù)湫再|(zhì)產(chǎn)生顯著影響。準(zhǔn)確理解并有效調(diào)控這類(lèi)納米尺度變形，對(duì)新型功能器件的設(shè)計(jì)與研發(fā)具有重要意義。然而，迄今為止僅有很少的實(shí)驗(yàn)研究通過(guò)4D STEM直接表征了扭曲雙層石墨烯的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，且現(xiàn)有研究多聚焦于特定材料體系，尚未建立具有普適性的理論框架，限制了該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。
圖1.扭轉(zhuǎn)雙層和多層體系的原子結(jié)構(gòu)與能量分布
針對(duì)上述問(wèn)題和挑戰(zhàn)，清華大學(xué)航院以及力學(xué)與工程交叉研究院李曉雁教授課題組基于各向異性位錯(cuò)理論，建立了一套全解析的理論模型，清晰地揭示了“扭轉(zhuǎn)角度—結(jié)構(gòu)變形—能量特征”三者間的精確定量關(guān)系。在小扭轉(zhuǎn)角度下，扭轉(zhuǎn)二維材料的莫爾云紋主要表現(xiàn)為由分位錯(cuò)構(gòu)成的三角形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該模型給出了扭轉(zhuǎn)二維材料的局域旋轉(zhuǎn)場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的完整解析表達(dá)式（圖2-4），并闡明了能量密度隨扭轉(zhuǎn)角度變化的非線(xiàn)性規(guī)律（圖5）。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度較大時(shí)，莫爾云紋則呈現(xiàn)以AA堆垛為核心的六邊形疇結(jié)構(gòu)及伴隨的疇壁網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)這一結(jié)構(gòu)特征，該模型同樣建立了能量密度與扭轉(zhuǎn)角度之間的解析關(guān)系。在0°到30°的扭轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)，隨著角度增大，扭轉(zhuǎn)二維材料的能量密度呈現(xiàn)先快速升高、后逐漸趨于飽和的變化趨勢(shì)（圖5）。為進(jìn)一步驗(yàn)證和完善理論模型，針對(duì)扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯（tB-G）、扭轉(zhuǎn)六方氮化硼（tB-hBN）及扭轉(zhuǎn)三層石墨烯（tT-G）體系開(kāi)展了大規(guī)模原子模擬，并將理論預(yù)測(cè)與模擬結(jié)果和已有研究進(jìn)行了對(duì)比。模型所預(yù)測(cè)的局域旋轉(zhuǎn)場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及能量密度隨扭轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，均與原子模擬結(jié)果以及已有實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)高度吻合（如圖2、圖3、圖5），表明該理論模型能夠準(zhǔn)確描述扭轉(zhuǎn)二維材料的結(jié)構(gòu)變形與能量演化特征。該研究不僅深化了對(duì)二維材料莫爾超晶格物理機(jī)制的認(rèn)知，也為系統(tǒng)表征該類(lèi)材料的變形與能量特征提供了一套完整的解析理論框架，為主動(dòng)設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)調(diào)控扭轉(zhuǎn)二維材料的物理特性提供了重要的理論基石。
圖2.扭轉(zhuǎn)雙層體系的局域旋轉(zhuǎn)場(chǎng)
圖3.扭轉(zhuǎn)雙層體系的應(yīng)變場(chǎng)
圖4.扭轉(zhuǎn)雙層體系的應(yīng)力場(chǎng)
圖5.扭轉(zhuǎn)雙層體系的能量特征
研究成果以“扭轉(zhuǎn)二維材料的應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、扭轉(zhuǎn)場(chǎng)以及能量特征”（Strain, stress, and rotation fields, and energetic features of twisted 2D materials）為題，近日發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）。
清華大學(xué)航院教授李曉雁為論文通訊作者，航院2022級(jí)博士生李舒暢為論文第一作者。清華大學(xué)航院2021屆博士畢業(yè)生張倩、2025屆博士畢業(yè)生邢漢崢、副教授張璇和北京航空航天大學(xué)副教授丁彬等參與了研究工作。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委青年科學(xué)基金項(xiàng)目（A類(lèi)）、重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf577
供稿：航院
編輯：李華山
審核：郭玲
