Статья опубликована в Nano Letters (2022)
Эта работа была выполнена в сотрудничестве с командой из Технологического университета Квинсленда (Австралия) под руководством проф. Д.В. Гольберга.
К двумерным (2D) неорганическим наноматериалам приковано большое внимание исследователей. К таких материалам относятся графен, нитрид бора, силицен, дихалькогениды переходных металлов, оксиды переходных металлов, перовскиты и MX-ны. Двумерные наноматериалы имеют разнообразные электромеханические и оптоэлектронные свойства. Они перспективны для применения в системах использующих деформацию (например, датчики деформации, гибкие накопители энергии, гибкие диоды, транзисторы, детекторы и диагностические устройства).
Был разработан фотодетектор на основе частичного вертикального гетероперехода между MoSe2 и Si. Однако влияние "краевых" деформаций (т.е. деформаций с осью нагрузки, параллельной двумерным базальным атомным плоскостям) на оптические и/или оптомеханические характеристики слоистых наноматериалов не изучалось.
Этот пробел может быть устранён с помощью экспериментов in situ ПЭМ высокого разрешения с использованием оптического держателя ПЭМ. В данной работе мы определяем деформацию, перпендикулярную базовым атомным плоскостям двумерных слоев материала, как изгибную деформацию, в то время как деформация, параллельная таким плоскостям, называлась "краевой" деформацией.
Для понимания разницы между изгибной и краевой деформациями с помощью расчетов с помощью теории функционала электронной плотности (ТФП) были рассмотрены две атомные модели MoSe2. Для удобства упруго изогнутый монослой MoSe2 был представлен как одностенная нанотрубка с равномерной кривизной, тогда как для краевой деформации мы моделировали MoSe2 как волнистый монослой, определяемый её длиной и амплитудой.
Серия последовательных ПЭМ изображений, иллюстрирующих эксперимент изучению деформации изгиба (a-c) и края (e-f) нанолистов MoSe2. (f) Характерное ПЭМ-изображение нанолистов после сильной краевой деформации
Наши результаты коррелируют с экспериментами. Для случая деформации изгиба на основе ПЭМ (рис. (a-c)) мы видим общее сохранение исходной структуры MoSe2 при упругом изгибе. Более того, поскольку спектроскопия фототока не показывает разницы между деформированным и недеформированным MoSe2, мы заключаем, что валентная зона материала не изменялась.
Результаты ТФП также согласуются с экспериментальными данными для краевой деформации, такой как повреждение поверхности MoSe2 (рисунок (f)) и крайне неустойчивые токи. Локальная высокая кривизна и резкие структурные изменения в точках изгиба приводят к изменениям зонной структуры. Происходит уменьшение запрещённой зоны и её трансформация от прямого к непрямому переходу. Разрушение монослойного MoSe2 при высоких напряжениях объясняется его изгибной жесткостью, на порядок большей, чем у графена. Тем не менее, даже это повреждение является обратимым для монослойного случая, в то время как в более толстых пленках TMDs появляются трещины и перегибы, которые накапливаются при циклах деформации. Последнее может объяснить постепенное увеличение тока с каждым циклом после рассчитанного монотонного уменьшения запрещённой зоны.
Comments