Advanced Functional Materials:范德华层间耦合诱导MoS₂面内极化的对称性工程

“对称性决定物理”,正交、单斜和三斜晶系的二维材料具有低对称性,其物理性质可呈现明显的各向异性,因而在电学、光电和热电等器件应用中展现出广阔前景,这一优势是高对称材料无法与之匹敌的。然而,低对称材料目前缺乏成熟大规模的制备工艺,这大大阻碍了其在微电子领域的深入运用。另一方面,二维过渡金属化合物(TMDCs)的制备工艺相对成熟可靠,若在TMDCs中引入“对称性工程”,诱导其面内极化形成各向异性,将可为物性调控提供一个额外的自由度。大音希声,大象无形。基于最基本的原子层堆乐高思想,若将高度对称的材料与低对称性的衬底组装成范德瓦尔斯异质结系统,或可以打破高对称材料的面内旋转对称性,使得高对称材料的物理特性展现出新的特点“各向异性”。

厦门大学张学骜教授团队与国防科技大学邓楚芸副研究员合作首次报道了一种范德华对称工程,通过与低对称CrOCl组成范德华异质结在MoS2中引入了面内极化。MoS2/CrOCl异质结中出现的非对称二次谐波表明MoS2的晶格对称性变化。通过理论模拟计算,这种对称性变化是由强层间相互作用和晶格失配引起的单轴应变导致的。角度相关的拉曼和PL光谱进一步证实了单轴应变导致MoS2的面内偏振。此外,极化MoS2具有优良的定向敏感电学特性,其电导各向异性比可达~1.5。更重要的是,实现了强线偏振敏感的光检测,在532 nm时各向异性比达到1.25。这一研究工作表明, “对称性工程”为赋予高对称性二维材料各向异性功能开辟了一个新的领域。

范德华异质结允许材料不受晶格匹配和工艺兼容性的限制,为新兴的奇异物理现象提供了一个平台。异质结构中相邻的原子层在存在小的晶格错配或扭曲角时将形成moiré超晶格。因此,可以对二维异质结构的电子、热、机械、光学、光电等性能进行定制,使其与母体材料具有明显的不同。同时,由于范德瓦尔斯相互作用,单原子层可以组装成具有特定性质的范德华异质结,从而展现出单一原子层所不具有的独特特性。

图1. MoS2/CrOCl异质结与对称性表征

图2. MoS2/CrOCl异质结角分辨拉曼和荧光,显示出MoS2具有显著的各向异性特征

图3.MoS2/CrOCl各向异性电学特性以及偏振光电探测

该工作由厦门大学二维材料与物性课题组与国防科技大学低维器件物理课题组合作完成。论文第一作者为厦门大学物理系博士后郑晓明,通讯作者为厦门大学张学骜教授、吕铁羽副教授以及国防科技大学邓楚芸副研究员。

论文信息:

Symmetry Engineering Induced In-Plane Polarization in MoS2 through Van der Waals Interlayer Coupling

Xiaoming Zheng, Yuehua Wei, Xiangzhe Zhang, Zhenhua Wei, Wei Luo, Xiao Guo, Jinxin Liu, Gang Peng, Weiwei Cai, Hang Huang, Tieyu Lv*, Chuyun Deng*, Xueao Zhang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202202658

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202202658