Small: 弯曲的层级二维材料的面外压电效应观察

各种二维材料由于在一个空间维度上具有极小的尺寸，而具有许多新奇的理化特性。然而，这个小尺寸的维度也增加了表征这些特性的难度。层级二维材料的面外压电效应就是其中一项不好表征的特性。最近华东师范大学、山西大学和复旦大学通力合作，在Small杂志上发表一篇文章，采用布鲁克的压电力显微镜（原子力显微镜的压电测试模式），观察到二硫化钼和硒化铟纳米片在弯曲状态下的面外压电效应。这个方法除了能用于测定层级二维材料的电-力耦合效应外，还能用于研究它们的挠曲电学性质，有利于二维材料在压电设备、MEMS等领域的应用。

实验设计非常巧妙，关键点之一在于如何获得不同挠曲表面的二维材料。如图1a所示，文中作者通过电子束光刻技术在PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）上制备出直径1~3µm的圆柱形凹坑，然后在上面生长金膜，进一步降低表面粗糙度并作为压电测试的电极。然后将二维材料转移到金膜上，从而在凹坑上形成弯曲悬空的二维材料，进而对该材料进行表征。如图1c,d,e所示，通过控制凹坑直径可以方便地获得不同挠曲程度的二维材料，进一步研究挠曲对材料性质的影响。另一个关键点是在用原子力显微镜的探针测试材料形貌和压电效应时，将探针与样品的接触力控制在10nN以下，从而避免悬空的二维材料在测试时由于受到较大接触力而发生二次形变，从而影响测试结果。布鲁克的高分辨， 精准力控制原子力显微镜技术对这项研究提供了技术支持。

制备的二硫化钼样品在凹坑处有弯曲（图2a），曲率除了和凹坑直径有关以外，还和样品层数有关。如图2b,c,d,e所示，二硫化钼的挠曲位置和平面位置具有不同的面外压电效应（d₃₃，分别是7.5pm/V和0.6pm/V）。作者推测，挠曲二硫化钼较高的面外压电效应可能是来源于形变造成的挠曲电效应，而低维材料的挠曲电效应可能更明显。进一步研究面外压电效应d₃₃和层数（N）、挠曲位置曲率半径（R）的关系发现，d33与NR成反比。

此外，文中还研究了样品厚度与面外压电效应的关系。如图3所示，同样测试条件下，随着厚度增加，挠曲位置的硒化铟样品的面外压电效应逐渐减弱。这些研究结果有助于研究者研究二维材料的压电效应和挠曲电效应。

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https://doi.org/10.1002/smll.201903106    

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