二维材料原子尺度结构与物性调控的原位电子显微学研究

Two-dimensional (2D) materials, such as graphene and molybdenum disulfide are hot research topics in many subject areas. With the emergence of 2D ferroelectric and ferromagnetic materials, they will play a vital role in Van der waals stacking devices. The research objective of this proposal is to explore the atomic defects and dopings, external stress and electric field tunable physical properties of 2D layered material for stacking device application. The approach will be to (1) growth of 2D ferroelastic and ferroelectric layered crystals, (2) in-situ study the structural phase evolution of 2D monolayer using scanning/transmission electron microscopy (S/TEM) techniques, and (3) simulate the atomic mechanism of domain structure evolution and detailed stacking device structure with atomistic modeling techniques including density functional theory (DFT) calculation and molecular dynamics (MD). It is anticipated that the success of this work will promote the application of external field tunable physical and chemical properties of 2D material on the Van der waals heterostructure devices.

以石墨烯、硫化钼等为代表的二维材料是当前众多学科领域的研究热点，而二维铁电及铁磁材料的出现，将在构建复合多层范德华堆垛型器件中发挥重要作用。本项目拟针对材料输运性能对应的显微结构，研究二维材料原子尺度可控掺杂与缺陷，以及应用于堆垛型器件的应力和电场调控下的结构相变。研究方法包括结合多种二维晶体生长方法制备铁弹和铁电层状晶体，原位透射电子显微学研究二维材料结构演变机制，和分子动力学与第一性原理计算等方法建立畴结构形成和复合多层堆垛型器件模型。以期将来基于缺陷和应变工程的二维铁性材料外场可调的物理和化学性能真正应用于范德华异质结器件。

二维铁电和铁磁材料的发现将为构建复合多层范德华堆垛器件和应用开辟新的路径，而且一些二维材料在不同外部刺激条件下会展现出不同晶体结构，为物性的调控提供了多种可能方案。本项目围绕几种多元二维材料的可控制备及异质结的构建，以及二维晶体的原子尺度结构相变展开，取得了如下研究结果：1）制备了在环境中稳定存在的二维碲化铬，通过两步法气相沉积合成了碲化铬与硒化钨复合的异质结，其居里温度接近室温为磁性异质结器件的研究提供了基础；2）基于制备的2H型二碲化钼，通过在透射电镜（TEM）中原位加热处理和电子束辐照的方法实现了原子尺度结构相变的观察，揭示了从半导体2H相到半金属1T’晶体相的结构演变机制；3）通过原位热学TEM方法，发现可以从二维材料（如二碲化钼、硒化镓和硒化铟等）直接生成一维材料，原位实验结合理论计算揭示了其生长机制和一维InSe的输运特性。4）运用原位力学实验技术，对二维硒化钨和离子束改性的一维氮化硅纳米线进行了应力应变测试，表明其具有优异的力学性能。本项目的研究为外场调控二维材料的结构相变和物性提供了深入的理解，对二维异质结器件的设计应用具有借鉴意义。