發現具有純熱結構相變，空氣穩定的單層Cu2Se薄膜
發布時間：2020-09-03 作者：harry 分享到：
具有結構相變性質的材料具有豐富的物理和化學性質，可滿足于多種應用。三維材料的純熱相變在物理學中是基本的并且易于誘導的。在二維材料中，到目前為止，結構轉變是由應變、激光、電子注入、電子/離子束、化學計量的熱損失、化學處理或這些方法與退火的結合引起的。然而，至今為止，保持化學計量比的純熱可逆相變在二維材料尚未見報道。
近日，中國科學院物理研究所和中國科學院大學物理科學學院科教融合研究團隊合作在Adv. Mater.上發表了一篇題目為“Air-Stable Monolayer Cu2Se Exhibits a Purely Thermal Structural Phase Transition”的研究成果。該研究報道了一種新型二維（2D）材料，單層Cu2Se的制備，并發現其存在純熱結構相變。圖1 溫度為78 K和300 K下單層Cu2Se的STM圖像和原子構型
他們在SiC上的雙層石墨烯上同時沉積Se和Cu，500 K退火后得到了單層Cu2Se。78 K時，單層Cu2Se的STM圖和原子結構如圖1a-1d所示。存在著由于Cu2Se和石墨烯基底晶格失配引起的一維摩爾條紋。Cu2Se為方形結構，其側視圖為“之”字形，被命名為z-Cu2Se。300 K時，單層Cu2Se的STM圖和原子結構如圖1e-1h所示。低溫下存在的一維摩爾條紋消失。Cu2Se為六角結構，其側視圖為直線形，被命名為l-Cu2Se。
圖2 溫度為300 K時單層Cu2Se的STEM圖像
通過對Cu2Se樣品進行掃描透射電子顯微鏡(STEM)表征，進一步證實了圖1h所示的原子結構就是溫度為300 K時單層Cu2Se的原子結構。l-Cu2Se的頂視圖和側視圖與圖2a和2d吻合地很好。圖2c顯示Cu2Se與石墨烯的層間距為0.34 nm，表現為范德華相互作用。
連續變溫下的原位低能電子衍射(LEED)表征結果如圖3所示。Cu2Se樣品78 K和300 K的LEED圖分別為3a和3b，其放大圖像分別為3i和3j，用白色圓圈標示的斑點為相變特征衍射斑點。為了更清晰的表現出特征斑點的變化，我們對該衍射斑點做了襯度的line profile，如圖3k所示。通過追蹤變溫過程中該特征衍射斑點的變化，可以判斷單層Cu2Se的相變溫度為~ 147 K，且該相變可逆。
78 K時，z-Cu2Se的能帶結構如圖4a-4c所示，ARPES表征與DFT計算結果吻合地很好(4b)，Γ點處費米面附近的能帶劈裂為兩組。300 K時，l-Cu2Se的能帶結構如圖4e-4g所示，ARPES表征與DFT計算結果吻合地很好(4f)，Γ點處費米面附近的能帶呈簡并狀態。隨著溫度的升高，z-Cu2Se變為l-Cu2Se，對稱性從C2變為C3，更高的原子結構對稱性導致了原本劈裂的兩組能帶簡并在了一起。
總之，研究者在在雙層石墨烯上制備了大面積、**的單層Cu2Se。通過掃描隧道顯微鏡(STM)，掃描透射電子顯微鏡(STEM)和密度泛函理論（DFT）計算確定了該材料78 K和300 K的兩個結構相，角分辨光電子能譜結合DFT計算揭示了兩個相能帶結構的變化，根據低能電子衍射譜隨溫度的演變，證明了兩個結構之間的相變是可逆的，并且可以發生在整個樣品上。此外，Cu2Se單層膜在空氣中的穩定性使得這種具有純熱相變的材料在溫度傳感器領域具有**潛力。進一步的理論計算也提出了這一熱結構相變的可能機制，為尋找具有純熱結構相變的2D材料提供了參考。
文獻鏈接：Air-Stable Monolayer Cu2Se Exhibits a Purely Thermal Structural Phase Transition, 2020, Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201908314.本工作作者為錢凱（樣品制備與掃描隧道顯微學表征）、高蕾（原理計算）、陳喜亞（掃描投射電子顯微學表征）和李航（角分辨光電子能譜表征），通訊作者為林曉（樣品制備）、杜世萱（原理計算）和高鴻鈞（掃描隧道顯微學表征）。近年來中科院物理所納米實驗室與中國科學院大學物理科學學院在新型低維功能材料研究方面開展了一系列卓有成效的合作，他們利用分子束外延、化學氣相合成等手段制備**二維原子晶體，掃描隧道顯微學與掃描投射電子顯微學相結合對其原子結構進行表征，利用X射線光電子能譜和角分辨光電子能譜對其元素價態及電子結構進性分析，結合原理計算，完成了新材料的制備、分析及物性調控等一系列研究。在國際上制備了單層PtSe2[Nano Letters 15, 4-13 (2015)]，周期性孔洞結構的單層CuSe [Nature Materials 16,717 (2017)]，無孔洞的單層CuSe [Advanced Materials 30, 1707055 (2018)]，單層AgTe [Chinese Physics Letters 36 028102 (2019)]，以及結構可調的單層石墨烯折疊結構 [Science 365, 1036 (2019)]等。
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