背景介绍

通过范德华相互作用组装的二维同质，异质材料在凝聚态物理、新型电子器件、光电器件等领域引起了广泛的关注和研究。深刻理解二维同质，异质结中的层间相互作用对于新型器件的构建，物理效应的理解都是至关重要的。南京航空航天大学郭万林院士团队在之前的工作中（Nat. Nanotechnol. 14, 567–572，2019）首次成功实现了对二维异质界面范德华相互作用的直接测量和对不同异质界面强度的比较。进一步地，根据实验结果发现目前常用的范德华相互作用的计算方法并不能准确描述二维异质相互作用，据此结合描述宏观卡西米尔力的Lifshitz理论提出了基于材料宏观介电常数的应用于密度泛函的范德华修正计算方法vdW2D方法。但是二维材料层间相互作用除了范德华相互作用之外，经常会由于样品表征等原因在材料，器件中引入电荷污染，从而引起静电作用。尤其是在二维介电材料参与的体系中，例如氮化硼参与的异质结中，更为明显和关键。因此进一步完善不同界面相互作用强度顺序，评估二维界面的层间作用的组成，分析电荷对相互作用的影响等尤为重要。

成果简介

近日，南京航空航天大学郭万林院士团队通过利用包裹薄层氮化硼片（BN）的原子力显微镜探针成功测量和比较了不同异质界面之间的相互作用强度并采用最新的结合vdW2D修正的密度泛函理论进行了理论模拟并得到了一致的结果。同时通过扫描电子显微镜（SEM）对BN针尖进行电荷掺杂，并评估了引入的电荷对层间相互作用的影响。通过包覆BN薄片的原子力显微镜探针测得BN与二硫化钼（MoS2），BN与石墨之间的粘附力分别是BN-BN层间粘附力的1.107倍和0.999倍，测量数据重复度超过86%，进一步表明了BN与MoS2之间更强的层间相互作用，结果与采用vdW2D修正的密度泛函理论计算结果一致。将BN探针置于SEM中进行电荷掺杂，并测得BN-MoS2和BN-石墨的层间相互作用相比于BN-BN分别增加为1.195倍和1.085倍，这一结果表明了在二维介电材料参与的结构中可能的静电掺杂会对层间相互作用产生重要影响，因此在这一体系中范德华相互作用与静电相互作用同时影响层间相互作用，在器件制备，转移，操纵等方面具有重要作用。

图文导读

图一：BN包裹探针及异质结基底的制备

（a）BN包裹的原子力显微镜探针制备流程。

（b）异质结基底的制备过程。

（c）异质结基底的光学显微镜和摩擦力显微镜表征图。

图二：典型的力-位移曲线。

图三：二维界面粘附力的测量结果及分析。

（a，b）第一次测量（a）和重复测量过程（b）得到的BN探针与不同基底材料之间的粘附力随最大正压力的变化关系。

（c-e）第一次测量和重复测量过程得到的不同界面的粘附力比值的数据分布及高斯拟合曲线。

（f）BN-MoS2（PBN/MoS2）界面和BN-石墨（PBN/Gr）界面上测得的粘附力与BN-BN（PBN/BN）界面粘附力的比值的直方分布图及高斯拟合曲线。

图四：经过电荷掺杂后的BN探针与基底材料间的粘附力。

（a，b）第一次测量（a）和重复测量过程（b）得到的电荷掺杂后的BN探针与不同基底材料之间的粘附力随最大正压力的变化关系。

（c-e）第一次测量和重复测量过程得到的不同界面的粘附力比值的数据分布及高斯拟合曲线。

（f）在BN探针在电荷掺杂前后不同界面粘附力的比值的变化趋势。

图五：利用DFT-vdW2D方法计算的不同界面的层间粘附能和临界粘附力。

（a，b）BN-graphene, BN-BN, graphene-graphene, BN-MoS2 and graphene-MoS2双层异质界面的结合能（a）及粘附力（b）与层间距之间的变化关系。

（c，d）不同界面层间结合能密度（c）及临界单位面积（d）粘附力的直方图。

（e，f）理论结果与实验结果的比较。其中（e）采用电荷掺杂前BN探针测量的结果，而（f）采用电荷掺杂后的BN探针测量的结果。

作者简介

郭万林，博士，教授。现任南京航空航天大学纳米科学研究所所长，纳智能材料器件教育部重点实验室主任。长期从事新型功能材料与器件、飞机结构抗疲劳断裂设计方面的理论难题和关键技术的研究。建立了低维材料结构力-电-磁-热耦合的物理力学理论体系；在宏观工程环境中发现了流-固界面边界运动生电、气流生电和蒸发生电效应，拓展了经典动电理论，推动水伏科学与技术的研究。建立了飞机结构三维疲劳断裂理论、攻克了飞机结构三维损伤容限关键技术。在Nature Nanotech.、Nature Commun.、PRL、Adv. Mater.、JACS、Nano Lett.、JMPS等刊物发表学术论文400多篇，多次被选为封面，被SCI收录287篇、多年连续入选爱思唯尔中国高被引学者榜单。

李保文，南京航空航天大学2015级直博生，主要研究方向为二维材料的表界面性质研究，微纳结构、器件的设计和制备等。在Nature Nanotech.、Nano Research、Nano Energy、Small等刊物上发表多篇论文。

纳米科学研究所团队，包括杰青、优青、青长，青千、全国优博和优博提名等优秀人才。基于纳尺度多场耦合智能体系理论，建立新概念和学说体系，提出纳智能材料器件的新原理，水伏科技等，发展面向应用的纳智能材料器件的制备、性能表征和测控技术，开拓纳米科技在能源、信息，尤其是空天技术相关高端领域的应用，探索纳米科技由基础研究向工程技术的跨越途径。

Baowen Li, Xiaofei Liu & Wanlin Guo*. Probing interactions at two-dimensional heterointerfaces by boron nitride-wrapped tip. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-020-3098-9.

文章来源：中国科学报

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