讓原子級厚度的材料更薄，只需兩個鉆石

2020年8月24日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然·物理》在線刊發(fā)了電子科技大學(xué)夏娟研究員、王曾暉教授與合作者的研究成果《二硒化鎢-二硒化鉬雙層異質(zhì)結(jié)的層間強耦合及高壓調(diào)控研究》。他們借助能產(chǎn)生百萬大氣壓強的金剛石對頂砧（DAC）裝置，針對僅有蟬翼千分之一厚度的二維異質(zhì)結(jié)材料開展了極高壓研究。

在研究中，科學(xué)家們巧妙地利用了二維異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)特點，對僅有原子級厚度的納米材料實現(xiàn)了高效壓縮，并觀察到了一系列新奇的物理現(xiàn)象。

重于泰山：金剛石壓砧技術(shù)

“金剛石對頂砧裝置在對微小樣品施加超高壓強方面，具有得天獨厚的優(yōu)勢，是一項非常強大的實驗手段。”夏娟說。

那么，金剛石對頂砧裝置是如何產(chǎn)生超高壓強的？

金剛石對頂砧裝置的主要部分是兩顆尖對著尖的鉆石（金剛石壓砧），以及包圍住兩顆金剛石尖頂（也稱為砧面）之間極小空間的墊片。

“當(dāng)我們推動金剛石壓砧中的兩個金剛石相向而行時，金剛石尖頂之間的空間被急劇壓縮，空間中除了樣品，還充滿了液體傳壓介質(zhì)（例如硅油）。”夏娟解釋說，由于墊片就像一道箍一樣，緊緊地箍住了這些液體傳壓介質(zhì)令其無處釋放，因此樣品所在空間的壓強就會急劇上升，從而在樣品上施加一個巨大的靜水壓，類似于潛入深海時受到的不斷增加的海水壓強。

記者了解到，由于金剛石頂部砧面直徑很小，通常只有幾分之一毫米，即差不多4～8根頭發(fā)絲的直徑，因此可以把金剛石底部平面受到的壓力高效集聚，從而在金剛石的頂部達(dá)到很高的壓強。我們?nèi)粘Ｉ瞽h(huán)境的壓強是1個大氣壓，海底一萬米的壓強約為1000個大氣壓，而利用該裝置則可輕松實現(xiàn)百萬大氣壓的高壓環(huán)境。

那么百萬大氣壓究竟有多大呢？人們常開玩笑說“壓力山大”，我們以泰山為例來估算一下。泰山主峰1450米高，以巖石密度為水的3倍計，則被壓在山底下需要承受來自山體的壓強為400多個大氣壓。因此，“重于泰山”其實遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以形容金剛石對頂砧產(chǎn)生的壓強。

薄如蟬翼：新型二維異質(zhì)結(jié)材料

二維材料是一類目前受到廣泛關(guān)注的新型材料，其最顯著的特點是可以薄到僅有原子級別，仍然能夠保持優(yōu)異的材料性能。那“原子級別”究竟是多薄呢？一般的蟬翼是幾個微米的厚度（也就是頭發(fā)絲的十分之一左右），而物理學(xué)家研究的二維材料一般是納米級別的厚度，甚至不到蟬翼的千分之一。因此，“薄如蟬翼”其實遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以形容二維材料的薄。

那什么是二維異質(zhì)結(jié)呢？“從結(jié)構(gòu)上來說，可以理解為將不同的二維材料通過特定的方式堆垛起來，構(gòu)成新的二維材料，類似于將兩片（或多片）不同的‘蟬翼貼在一起，形成一種新的‘復(fù)合蟬翼。”王曾暉說。

對科學(xué)家來說，各種二維材料就像樂高積木一樣：通過選擇采用不同的二維材料、不同的堆垛方式，可以構(gòu)成各類新奇的樂高作品——二維異質(zhì)結(jié)。這就相當(dāng)于可以人為地設(shè)計出幾乎無限多種新型二維結(jié)構(gòu)，而每種結(jié)構(gòu)都可能具有不同的材料物理特性，因此在很多研究領(lǐng)域中，二維異質(zhì)結(jié)都是一類非常具有潛力的新型材料結(jié)構(gòu)。

以泰山之重壓蟬翼之薄

那么，既然二維材料已經(jīng)薄到原子級別了，還能夠進(jìn)一步壓縮其厚度嗎？專家給出了肯定的答案。

夏娟說：“這個研究，有點類似于把二維異質(zhì)結(jié)這樣的‘復(fù)合蟬翼放到萬噸水壓機中間，利用重于泰山的極高壓強來使兩片‘蟬翼貼合得更為緊密，從而改變兩層‘蟬翼之間的相互作用，并觀測這一過程對整張‘復(fù)合蟬翼性能的調(diào)控作用。只不過我們這個實驗是在納米尺度進(jìn)行的。”

研究團(tuán)隊在實驗過程中證實，盡管二維異質(zhì)結(jié)的厚度已經(jīng)在原子級別了，但是由于其結(jié)構(gòu)的特點，仍然能夠通過金剛石對頂砧裝置產(chǎn)生的壓強將其的厚度進(jìn)一步壓縮。當(dāng)樣品所處環(huán)境壓強增加到一萬個大氣壓左右時，研究者們成功觀察到了二維異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)及相關(guān)物理特性所發(fā)生的突變。

“雖然這個工作是非常基礎(chǔ)的物理研究，但從應(yīng)用角度來說，開展基于新型敏感材料在高壓下的物理特性研究，對于開發(fā)新型超高壓傳感器，推動我國深地深海探測技術(shù)進(jìn)步，加快頁巖氣等現(xiàn)代能源戰(zhàn)略的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同樣具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。”王曾暉說。