超薄二維材料力學性質表徵研究獲進展

近日，中國科學院深圳先進技術研究院納米調控與生物力學研究室和深圳先進院研究員喻學鋒課題組以及羅茜課題組密切合作，在二維材料力學性質表徵研究中取得新進展。該研究為精確表徵二維材料（以MoS2為例）的力學性質提供了新的途徑。相關成果以Mapping the elastic properties of two-dimensional MoS2via bimodal atomic force microscopy and finite element simulation（《通過雙頻原子力顯微鏡和有限元模擬確定二維材料MoS2的彈性性質》）為題，在線發表在Nature合作期刊NPJ Computational Materials上，論文第一作者為納米調控與生物力學研究室博士生李宇豪。

自2004年K.S. Novoselov等發現二維材料以來，二維材料的研究如火如荼，從經典的力學、電學、光學、磁學等性質到新穎的自旋和谷電子學以及量子效應都有十分豐碩的研究成果。目前，表徵二維材料力學性質往往把超薄二維材料懸空於微米尺寸的孔上，採用壓痕實驗方法並結合經典的連續介質力學薄膜模型來確定二維材料的力學性質。然而由於懸空實驗的不可控，此種方法帶來了較大的實驗誤差。與此同時，隨著掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope，SPM）技術的飛快發展，雙頻原子力顯微鏡（AM-FM）為表徵材料的力學性質提供了十分有力的研究手段。此種方法的出現為二維材料力學性質的研究提供了新思路。

團隊利用經典的機械剝離方法，製作出了大片、高質量的單層、多層MoS2樣品。使用雙頻原子力顯微鏡（AM-FM），精確測定了超薄單層MoS2（0.8nm）和SiO2基底的耦合力學性質。隨後科研人員對其進行有限元模擬，量化了SiO2基底的影響，最終得到單層MoS2的面內楊氏模量為265±13Gpa，不確定性小於5％。由於雙層MoS2的面內楊氏模量與單層的面內楊氏模量無法區分開來，對此科研人員用第一性原理計算作了進一步驗證。這項工作第一次得到了面內楊氏模量的區域成像，且相比於經典的納米壓痕方法，得到的結果具有更高的空間解析度和更小的不確定性。同時，由於AM-FM表徵技術具有小變形、小測試力，不會對樣品產生破壞。此種方法表徵二維材料的力學性質大大簡化了樣品製備以及表徵的難度，具有廣闊的研究應用前景。

上述工作得到國家重點研發計劃納米科技重點專項、國家自然科學基金和深圳市科技創新委員會等的資助。

（a）雙頻原子力顯微鏡示意圖；（b）SiO2基底和單層MoS2的形貌；（c）SiO2基底和單層MoS2的面內楊氏模量；（d）SiO2基底和單層MoS2的面內楊氏模量直方圖。

來源：中國科學院深圳先進技術研究院

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