进展 | 新型二维原子晶体硒化亚铜的制备及其纯热驱动结构相变的研究材料的结构相变是一个很普遍

材料的结构相变是一个很普遍的物理过程，有着极丰富的应用。人们很早就开始研究纯热驱动的三维材料结构相变，并扩展到其他因素引起的相变。而在二维材料中，已发现的结构转变是由应变、激光、电子注入、电子/离子束、化学计量的热损失、化学处理或这些方法与退火相结合引起的。比如：单层MoS2和MoTe2的结构相变需要通过合金化间接实现电子掺杂或者电子直接注入等方法诱导发生；单层VS2、VSe2和PtSe2的结构相变需要对材料进行热处理形成S/Se原子空位，从而诱导其结构相变等。这类结构相变过程中引入的杂质、缺陷等通常会对二维材料的本征物性有影响，且相变所需的外部环境复杂，其应用受到了严重限制。因此，寻找和开发具有纯热驱动结构相变特性的二维材料具有十分重要的意义。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室高鸿钧院士带领的研究团队多年来一直致力于新型二维晶体材料的制备、物性与应用基础研究，取得了一系列重要研究成果。近期，该组博士生钱凯（已毕业）与杜世萱研究组的博士生高蕾（已毕业）和中国科学院大学林晓教授等合作，对单层Cu2Se的制备及其纯热驱动结构相变进行了研究。

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图1.78K和300K下单层Cu2Se的STM图和原子结构图

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【进展 | 新型二维原子晶体硒化亚铜的制备及其纯热驱动结构相变的研究】图2.300K下单层Cu2Se的STEM图
钱凯等通过在SiC基底上的双层石墨烯上同时沉积Se和Cu ，并500K退火，得到了单层Cu2Se样品。该样品的扫描隧道显微表征（STM）实验结果和基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算结果如图1所示。 78K时， Cu2Se为方形结构，其侧视图为“之”字形，被命名为ζ相-Cu2Se ， STM图清楚地显示出Cu2Se和石墨烯晶格失配引起的一维摩尔条纹。 300K时，一维摩尔条纹消失， Cu2Se为六角结构，其侧视图为直线形，被命名为λ相-Cu2Se 。扫描透射电子显微表征（STEM）（图2）发现Cu2Se与石墨烯的层间距为0.34nm ，两者之间的相互作用为范德华相互作用。连续变温的原位低能电子衍射（LEED）实验结果（图3）证明了整个样品表面均发生了结构相变，相变温度约为147K ，并且ζ-Cu2Se与λ-Cu2Se的相变是可逆的。角分辨光电子能谱（ARPES）表征结果及DFT计算结果（图4）表明，随着温度的升高， ζ-Cu2Se变为λ-Cu2Se ，对称性从C2变为C3 ，更高的原子结构对称性使得原本劈裂的两组能带简并在一起。稳定性测试揭示单层Cu2Se样品可在空气中稳定存在。进一步的理论计算提出了纯热驱动二维材料结构相变的可能机制，为寻找具有类似特性的二维材料提供了参考。这样一个空气中稳定的、热驱动即能实现相变的材料在温度传感器等领域具有潜在的应用前景。

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图3.Cu2Se样品原位连续变温LEED表征结果

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图4.78K和300K下Cu2Se样品的ARPES和DFT能带结构
相关工作发表在Adv.Mater.32,1908314(2020)上。该研究成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院先导专项等的支持。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201908314
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