Fundamental Research | 翟天佑：晶相工程提升二维材料的平面内各向异性

Fundamental Research 2022-12-31

Fundamental Research 2022年第2卷第3期封面

晶相工程提升二维材料的平面内各向异性

关键词：周期相工程，二维VO2，面内各向异性，界面应变，电学各向异性，化学气相沉积

各向异性材料中固有的结构不对称性带来了光学、电学、热学和磁学特性独特的偏振响应，这为物理和化学性质的调控提供了额外的自由度。面内各向异性首次在二维黑磷中提出并引起了广泛的研究兴趣。目前多种面内偏振相关材料已在光电探测器、突触晶体管、数字反相器和非易失性存储器等领域得到了广泛的实验研究。然而，晶体结构本征的不对称性（如，斜方晶系、单斜晶系和三斜晶系）仅能产生约 1~10 的弱各向异性比，从而阻碍了偏振相关信号的可靠检测。通过局部结构调制、合金/掺杂、应变工程和施加外场的方法可以调控材料的各向异性比。但在这些方法中各向异性的主要来源仍然是结构的内在不对称性，因此仅能对各向异性产生有限的调制。

基于此，华中科技大学翟天佑教授、甘霖副教授和韩国蔚山国立科技研究院丁峰教授合作在国家自然科学基金委员会主管、主办的Fundamental Research 期刊上发表研究论文，他们提出一种通过周期性的相工程来提升低维材料的面内各向异性的方法。成功将VO₂纳米薄片的电导各向异性比从1.5最高提升至~ 113。

基于化学气相沉积在云母衬底上的二维VO₂单晶纳米薄片与云母衬底之间的界面热应变，二维 VO₂纳米片中形成两种交替的绝缘体相M1和M2。这种交替的M1/M2相排列模式可以通过调节界面热应变进一步可逆地演变为R（金属相）/M2（绝缘体相）交替排列模式，如图1(a)所示。本工作建立了一般理论模型对这种相变行为进行了精确的描述和预测。在此基础上，本工作在VO₂纳米薄片中展示了对电导各向异性比跨越两个数量级的显著调制，最高各向异性比达到了~ 113，如图1(b)所示。这种周期性的相工程进一步深入地拓展了面内各向异性在未来应用中巨大的发展潜力。

图1. (a) VO₂单晶纳米片在居里温度相变前后的周期性相分布特征；(b) VO₂单晶纳米片的电导各向异性比随温度变化曲线。

以上内容节选自期刊Fundamental Research 2022年第3期发表的文章“M. Ran, C. Zhao, X. Xu, et al., Boosting in-plane anisotropy by periodic phase engineering in two-dimensional VO₂ single crystals, Fundamental Research 2(3)(2022) 456-461”。

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主要作者简介

翟天佑 华中科技大学材料科学与工程学院教授、博士研究生导师，国家杰出青年科学基金获得者（2018年）。主要从事二维光电材料的精准合成与器件方面的研究。

冉濛 华中科技大学材料科学与工程学院硕士研究生在读。研究方向包括二维材料的气相合成方法。

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