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仅有原子级厚度的纳米材料实现了高效压缩成果

来源:燕赵新闻网2020-09-15 10:29:14

  8月24日,国际学术期刊《自然物理》在线发表了夏娟、王增辉教授和中国电子科技大学合作者的研究成果《钨二硒化物-钼二硒化物双异质结的强层间耦合和高压调控研究》。借助能产生百万大气压的金刚石砧座(DAC)装置,他们对厚度只有蝉翅千分之一的二维异质结材料进行了超高压研究。

  在本研究中,科学家利用二维异质结的结构特征对纳米材料进行压缩,观察到一系列新的物理现象。

  重于泰山:金刚石压砧技术

  夏说,金刚石在将超高压应用于小样品方面具有独特的优势,是一种非常强大的实验工具。

  那么,金刚石对顶砧装置是如何产生超高压强的?

  金刚石到顶砧装置的主要部件是两个点对点钻石(金刚石砧)和围绕两个金刚石到顶锥(也称为砧)之间的微小空间的隔板。

  “当我们将金刚石砧座中的两颗金刚石推向对方时,金刚石刀头之间的空间被迅速压缩,除了样品之外,该空间还充满了液体压力传递介质(如硅油)。”夏娟解释说,因为垫圈就像一个环,紧紧地夹住液体压力传输介质,没有地方释放它,样品所在空间的压力会急剧上升,从而对样品施加巨大的静水压力,这类似于潜入深海时海水压力的增加。

  据记者了解,由于金刚石顶砧面的直径很小,通常只有几毫米,即大约4~8根毛发丝的直径,所以可以有效地将金刚石底面所受的压力集中起来,从而达到金刚石顶板的高压线。每天生活环境的压力为1个大气压,海底1万米的压力大约为1000个大气压,使用这种装置可以很容易地达到百万大气压高压环境。

  那百万个大气压力到底有多大?大家都开玩笑说“压力山大”,我们就拿泰山作为一个例子。泰山主峰高1450米,岩层密度是水的3倍,所以要压在山下,就必须承受来自山下400多个大气压的压力。所以,“重于泰山”实际上还远远不足以描述金刚石对顶砧的压强。

  薄如蝉翼:新型二维异质结材料

  二维材料是目前备受关注的一种新型材料,其最显著的特点就是能薄到只有原子级,仍能保持优良的材料性能。那么“原子级”到底有多薄呢?一般而言,蝉翼的厚度只有几个微米(约相当于毛发丝的十分之一),而物理学家研究的二维材料,一般都是纳米级的,甚至还不到蝉翼的千分之一。所以,“薄如蝉翼”实际上还远远不足以描述二维材料的薄。

  什么是二维异质结?在结构上,它可以理解为以特定的方式堆积不同的二维材料,形成新的二维材料,类似于把两个(或更多)不同的蝉翼放在一起形成一个新的蝉翼,王说。

  对于科学家来说,各种二维材料就像乐高砖一样:通过选择不同的二维材料和不同的叠加方法,可以形成各种新的乐高作品-二维异质结,这相当于几乎无限种新的二维结构的设计,每种新的二维结构可能具有不同的物理性质,因此在许多研究领域,二维异质结是一种具有巨大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一个二维异质结之类的‘复合蝉翼’放在一万吨水压机中间,利用比泰山还要重的极高压力,使两片‘蝉翼’更紧密地粘在一起,从而改变两层‘蝉翼’之间的相互作用,观察这个过程对整个‘复合蝉翼’性能的调节作用。然而,我们的实验是在纳米尺度上进行的。”

  在实验过程中,研究小组证实,虽然二维异质结的厚度已经处于原子水平,但由于其结构特点,仍然可以被金刚石在砧座装置上产生的压力进一步压缩。当样品的环境压力增加到大约10,000个大气压时,研究人员成功地观察到二维异质结的能带结构和相关物理性质的突变。

  王说,虽然这项工作是一项非常基础的物理研究,但研究高压下新型敏感材料的物理特性,对于开发新型超高压传感器,促进我国深海勘探技术的发展,加快页岩气等现代能源战略的发展,也具有重要的科学意义和应用价值。

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