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  硒氧鉍(Bi₂O₂Se)晶體由于具有高電子遷移率和易于調(diào)控的優(yōu)勢在半導體領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，同時由于其具有空氣中穩(wěn)定、禁帶寬度適中、自旋軌道耦合強等特性，被認為是構(gòu)建新型電子元器件的理想材料。目前，大面積的單層和多層Bi₂O₂Se薄膜已經(jīng)被成功合成，且在量子輸運器件和超快高敏紅外光探測等方面表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。與傳統(tǒng)二維材料的層間以范德華交互作用主導不同，Bi₂O₂Se的結(jié)構(gòu)本質(zhì)是帶正電的[Bi₂O₂]層與帶負電的Se層以弱靜電作用交替堆垛。這樣的堆垛形式的差異帶來了Bi₂O₂Se在加載條件下迥然不同的力學響應，進而對其在半導體領(lǐng)域的應用產(chǎn)生巨大的影響。

  近期，美國馬里蘭大學李騰教授課題組通過密度泛函理論（DFT）的計算發(fā)現(xiàn)，單層和塊體Bi₂O₂Se晶體有著大約100GPa的楊氏模量，其單軸拉伸強度分別達到了16.1GPa和17.2GPa（圖1）。而在雙向等應變加載條件下，應力應變曲線出現(xiàn)了兩個波峰，通過原子尺度的微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，第一個波峰后應力下降并不是由于[Bi₂O₂]層內(nèi)褶皺的變平所導致，這與其他面內(nèi)含褶皺二維材料（黑鱗，硼烯等）的力學響應完全不同。

圖1. （a）Bi₂O₂Se原子結(jié)構(gòu)圖。（b）單軸拉伸下應力應變曲線。（c）隨應變變化的函數(shù)。（d）雙向等應變拉伸下應力應變曲線。

  為了更好的了解Bi₂O₂Se特殊力學響應的內(nèi)在機理，他們進一步計算了在拉伸過程中的電荷密度和電子局域化函數(shù)的衍化（圖2），通過分析發(fā)現(xiàn)在單軸拉伸情況下，Bi₂O₂Se一直保持著層間的弱靜電作用，斷裂發(fā)生于[Bi₂O₂]層的斷裂。而對于雙向等應變拉伸，第一個波峰后的應力下降主要是由于[Bi₂O₂]層和Se 層之間共價鍵的形成，在共價鍵形成后的后繼拉伸階段，應力應變曲線的上升是由于[Bi₂O₂]層的形變所產(chǎn)生，最終Bi原子墜落入O原子平面而發(fā)生材料的破壞。此工作首次從原子尺度揭示了Bi₂O₂Se在不同加載情況下的力學響應機理，對于研究Bi₂O₂Se在不同工作條件下的力學行為以及指導電子元器件的設計方面具有重要的意義。

圖2. （a~d）Bi₂O₂Se在拉伸過程中的電子局域化函數(shù)。（e~h）Bi₂O₂Se在拉伸過程中的電荷密度衍化。

  由于Bi₂O₂Se表現(xiàn)出了與其他二維材料完全不同的變形機理，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化直接導致了電子能帶結(jié)構(gòu)的變化（圖3）。他們通過計算發(fā)現(xiàn)單層和塊體Bi₂O₂Se都表現(xiàn)出了間接帶隙，并且?guī)峨S著應變的增加而減小，進而計算得出了準確的Bi₂O₂Se由半導體性向金屬性轉(zhuǎn)變的臨界應變。通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，Bi₂O₂S的能帶有大約120 meV/% strain的應變敏感度，這對于可調(diào)節(jié)電子元器件的開發(fā)有著廣闊的應用空間。

圖3. 塊體（a~c）和單層（d~f）Bi₂O₂Se的能帶結(jié)構(gòu)圖

  以上成果以Mechanics and strain engineering of bulk and monolayer Bi₂O₂Se 為題發(fā)表在力學領(lǐng)域旗艦期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids（JMPS），第一作者為馬里蘭大學龐震乾博士。

  論文信息：Zhenqian Pang, Teng Li, Mechanics and strain engineering of bulk and monolayer Bi₂O₂Se, Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2021)

  https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104626

  作者簡介：

  馬里蘭大學李騰教授團隊（http://lit.umd.edu/）專注于高性能可持續(xù)材料、軟材料、低維納米材料、原子尺度催化劑、能源存儲材料等的設計與開發(fā)，相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature, Science, Nature Review Materials, Nature Nanotechnology, Science Advances, Nature Communications, PNAS, PRL, JACS, Advanced Materials, Materials Today, Advanced Energy Materials 等國際頂級期刊，并于2018年榮獲被譽為“國際發(fā)明創(chuàng)造奧斯卡”的R&D100大獎，以及2019年馬里蘭大學年度發(fā)明獎（物理科學領(lǐng)域）。李騰教授現(xiàn)任馬里蘭大學先進可持續(xù)材料與技術(shù)實驗室主任，Extreme Mechanics Letters副主編，榮獲國際工程科學學會青年科學家獎章（2016）。李騰教授在2006年和哈佛大學鎖志剛教授共同發(fā)起創(chuàng)建iMechanica.org,目前已經(jīng)成為國際力學領(lǐng)域用戶最多的網(wǎng)絡資源平臺。

  李騰教授的微信視頻號2020年7月5日開通 （微信視頻號：李騰教授），旨在分享科研心得，助力青年學者科研騰飛。已發(fā)布超過260條干貨短視頻，受到廣泛關(guān)注并被媒體采訪，迅速成為微信視頻號科研類頭部大號。

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