Advanced Functional Materials:二维材料气泡表面压电性质的可视化表征

近年来,二维压电材料作为研究压电效应的模型体系正吸引着人们越来越多的关注,表现出了广泛的应用前景。其主要原因为:(1)许多非压电的块状晶体在厚度削减至原子层厚度时,会发生对称性破缺, 从而在二维结构中表现出压电特性;(2)相对于块状晶体,二维材料具有更优异的力学性质,可以承受6% ~ 11%的应变,使得其更适用于柔性可穿戴等压电电子器件;(3)二维材料性质多样,并可通过层层组装成范德华异质结构,有望在压电性质的基础上带来更丰富的新奇现象和应用。如能同时表征得到二维材料上压电场的空间分布和定量的信息,将有利于进一步理解二维材料中的压电机理并实现压电器件的设计和调控,然而目前仍存在挑战。

鉴于此,厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室曹阳团队以堆垛二维材料异质结时产生的气泡作为模型体系,利用开尔文探针显微镜技术可对气泡上压电场的空间分布和定量信息进行表征。并在光场下,直接观测到了气泡中压电场对光生电子和空穴的分离作用。相关结果发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202005053)上。

研究发现,气泡的产生会给材料带来应变,奇数层氮化硼由于结构对称性破缺,应变诱导产生压电场,从而可以在沿气泡径向方向观测到电势梯度;而偶数层的氮化硼由于相邻两层晶格的不对称方向可以相互抵消,保持了整体结构的对称性,使得压电性质消失,整个气泡上没有电势梯度。为证明了该方法的普适性,作者在同样具有压电性质的奇数层二硫化钼气泡上也观测到了类似的压电势分布梯度。同时,根据测得压电势进行定量计算,单层氮化硼和二硫化钼的压电系数分别为3.4±1.2×10-10 C m-1和3.3±0.2×10-10 C m-1,与文献报导数值一致,也表明该方法定量分析的准确性。基于这种气泡模型,作者还研究了光照下气泡表面电势的变化,原位观察了压电势对光生载流子的分离作用,使其有望在光电探测、光电催化等领域中得到进一步应用。