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研究人员利用高通量计算揭示二维材料层间范德华相互作用 |
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近日，中国科学院院士、中科院兰州化学物理研究所刘维民研究员和西北工业大学齐卫宏教授通过高通量计算和实验揭示了二维材料层间结合能与结合力的关系，提出只有层间结合力才能作为二维材料剥离难易程度的判据（而不是结合能）。
二维材料层间的范德华相互作用是一种非键相互作用，相对化学键而言，这种更弱的相互作用使得二维材料之间可以任意堆叠而无需层间匹配晶格，容易形成二维材料范德华异质结及摩尔纹等超结构，同时带来许多新奇的物理、化学、力学等性质。目前，学术界都偏向于利用层间结合能来表征二维材料剥离的难易程度。
研究人员认为，使用层间结合能表征二维材料剥离难易程度不够准确，而只有层间结合力才能更准确地表征二维材料剥离的难易程度。在二维材料的势能-层间距曲线上，结合能对应于势能曲线的势阱深度，而结合力则对应于势能曲线变化的拐点（相当于势能曲线二阶导数为零），层间结合力与结合能变化趋势并不相同，一些二维材料的层间结合力大但结合能小，而另一些二维材料则结合力小但结合能大。二维材料的层间结合力直接与材料的剥离力相对应，而不是结合能。
基于这个思路，研究人员通过自己设计的下降算法调用第一性原理计算程序（VASP）进行了高通量计算，得到了230种常见二维材料的层间结合能和结合力数据（图1）。
图1：230种二维材料结合能与结合力的高通量计算结果
计算结果显示，二维材料的层间结合能与结合力的趋势确实不完全一致（即结合能高不代表结合力大）。研究人员还设计了实验以检验理论预测的准确性。针对三种二维材料：石墨烯、六方氮化硼与硒化铟，通过一种独特的组装方法把二维材料附着到自制的硅球探针上，并使用这些探针在原子力显微镜下进行了高精度层间结合力测试。研究结果与计算预测完全一致，即：F石墨烯>F氮化硼>F硒化铟。这就从理论和实验上证明了只有层间结合力才能更准确地表征二维材料剥离的难易程度。相关实验结果如图2所示，其中图2(a)为二维材料包覆探针制作方法；图2(b)为石墨烯探针SEM照片；图2(c)为石墨烯典型8x8采点测定结果；图2(d)为石墨烯、六方氮化硼和硒化铟的典型力-位移曲线；图2(e)为石墨烯测定结果统计；图2(f)为六方氮化硼测定结果统计；图2(g)为硒化铟测定结果统计。
图2：AFM层间结合力测定结果
新型二维材料可制备性的预测或二维范德华材料的设计，必须通过研究其层间结合力的大小予以确定；二维材料器件的层间结合稳定性也需要通过结合力才能准确表征。该工作给出的230种常见二维材料层间结合力数据比较可靠且完备。该研究结果有助于深刻理解二维材料层间范德华相互作用及建立二维材料的物理模型，并为二维材料的应用提供理论基础。
相关研究成果以“High-Throughput Calculation of Interlayer van der Waals Forces Validated with Experimental Measurements”为题发表在Research上。西北工业大学为第一完成单位，兰州化物所为第二完成单位。
以上工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研基金和西北工业大学分析测试中心的支持。（来源：中国科学院兰州化学物理研究所）
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