北京大学电子学院原位电子显微学团队在范德华材料层间力电特性研究中取得重要进展

性能优异的低维材料非常容易暴露在不同的温度、辐照、应力等环境条件下，发生拉伸、剥离、撕裂、弯曲、褶皱、辐照损伤等行为。不同的环境条件与力学加载场景引入了众多复杂的理化性质变化，如应变缺陷、能带结构和带隙改变、压电性质和极化特性改变等等。目前，定量测量这些低维材料改变的研究手段还极少。结合扫描电镜和微纳米操纵的原位实验方法为定量且有效地测量和理解低维材料的固有力学参数、电学特性和复杂的范德华相互作用提供了可能。

北京大学电子学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室的陈清教授和魏贤龙长聘副教授共同领导的原位电子显微学团队一直致力于发展结合扫描电子显微镜和纳米操纵系统的原位电子显微学（in-situ SEM）研究方法，对低维材料的力学特性、力电特性、压电效应、界面粘附、弹性测量、摩擦与超润滑等重点问题进行研究，取得了一系列重要研究进展。近期在二维材料研究方面的主要进展包括：发展了新的测量方法，为MoS2的层间超润滑特性提供了首个直接的实验证据（Adv. Mater., 2017, 29, 1701474）；原位剥离测量了二维材料的层间结合能、弹性和粘附力（Nano Lett. 2023, 23, 2, 742–749; J. Phys. Chem. C, 2020, 124, 42, 23419–23425）；测量了石墨烯的依赖转角的层间电阻率（Ultramicroscopy, 2018, 193, 90-96）等。

石墨作为典型的范德华材料，面外机械应力对其c轴方向输运特性的影响及其在小压强下的压阻主导机制尚未被很好地实验确定。而且，目前还没有合适的实验手段可以在对二维材料施加小的、精密的面外单轴应力的同时进行原位电学测试。最近，陈清-魏贤龙原位电子显微学团队又开发了一种研究范德华材料在面外均匀压缩下的力电响应的方法。基于in-situ SEM和有限元模拟，对百纳米直径的高定向热解石墨（HOPG）圆柱进行了批量测试，获得了其在连续小压强下的c轴输运特性（图1）。发现，HOPG的c轴压阻率在零压强附近高达5.68×10-5/kPa，并在单轴压力增大到200 MPa时降低了两个数量级。基于堆垛层错的串联隧穿势垒模型，在零压强附近的大压阻率及其随压强增大而降低的现象被归因于石墨在压缩下力电性质的快速硬化。这些结果对了解石墨等层状材料的面外压阻响应机制，制备高灵敏度、柔性、低成本的新型压阻器件具有重要意义。上述成果以《高定向热解石墨在零压强附近的大且压强依赖的c轴压阻率》（Large and Pressure-Dependent c-Axis Piezoresistivity of Highly Oriented Pyrolytic Graphite near Zero Pressure）为题，2024年3月25日在线发表于《纳米快报》（Nano Letters），并被选为封面文章（supplementary cover，图2）。电子学院2021级博士研究生王炳杰为第一作者，电子学院陈清教授和魏贤龙长聘副教授为共同通讯作者，北京大学工学院戴兆贺研究员为合作作者。

图 1

图 2

上述研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金资助，以及北京大学微纳加工实验室校级平台的支持。