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  硒氧鉍(Bi₂O₂Se)晶體由于具有高電子遷移率和易于調(diào)控的優(yōu)勢在半導(dǎo)體領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，同時由于其具有空氣中穩(wěn)定、禁帶寬度適中、自旋軌道耦合強等特性，被認(rèn)為是構(gòu)建新型電子元器件的理想材料。目前，大面積的單層和多層Bi₂O₂Se薄膜已經(jīng)被成功合成，且在量子輸運器件和超快高敏紅外光探測等方面表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。與傳統(tǒng)二維材料的層間以范德華交互作用主導(dǎo)不同，Bi₂O₂Se的結(jié)構(gòu)本質(zhì)是帶正電的[Bi₂O₂]層與帶負(fù)電的Se層以弱靜電作用交替堆垛。這樣的堆垛形式的差異帶來了Bi₂O₂Se在加載條件下迥然不同的力學(xué)響應(yīng)，進而對其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生巨大的影響。

  近期，美國馬里蘭大學(xué)李騰教授課題組通過密度泛函理論（DFT）的計算發(fā)現(xiàn)，單層和塊體Bi₂O₂Se晶體有著大約100GPa的楊氏模量，其單軸拉伸強度分別達到了16.1GPa和17.2GPa（圖1）。而在雙向等應(yīng)變加載條件下，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)了兩個波峰，通過原子尺度的微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，第一個波峰后應(yīng)力下降并不是由于[Bi₂O₂]層內(nèi)褶皺的變平所導(dǎo)致，這與其他面內(nèi)含褶皺二維材料（黑鱗，硼烯等）的力學(xué)響應(yīng)完全不同。

圖1. （a）Bi₂O₂Se原子結(jié)構(gòu)圖。（b）單軸拉伸下應(yīng)力應(yīng)變曲線。（c）隨應(yīng)變變化的函數(shù)。（d）雙向等應(yīng)變拉伸下應(yīng)力應(yīng)變曲線。

  為了更好的了解Bi₂O₂Se特殊力學(xué)響應(yīng)的內(nèi)在機理，他們進一步計算了在拉伸過程中的電荷密度和電子局域化函數(shù)的衍化（圖2），通過分析發(fā)現(xiàn)在單軸拉伸情況下，Bi₂O₂Se一直保持著層間的弱靜電作用，斷裂發(fā)生于[Bi₂O₂]層的斷裂。而對于雙向等應(yīng)變拉伸，第一個波峰后的應(yīng)力下降主要是由于[Bi₂O₂]層和Se 層之間共價鍵的形成，在共價鍵形成后的后繼拉伸階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升是由于[Bi₂O₂]層的形變所產(chǎn)生，最終Bi原子墜落入O原子平面而發(fā)生材料的破壞。此工作首次從原子尺度揭示了Bi₂O₂Se在不同加載情況下的力學(xué)響應(yīng)機理，對于研究Bi₂O₂Se在不同工作條件下的力學(xué)行為以及指導(dǎo)電子元器件的設(shè)計方面具有重要的意義。

圖2. （a~d）Bi₂O₂Se在拉伸過程中的電子局域化函數(shù)。（e~h）Bi₂O₂Se在拉伸過程中的電荷密度衍化。

  由于Bi₂O₂Se表現(xiàn)出了與其他二維材料完全不同的變形機理，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化直接導(dǎo)致了電子能帶結(jié)構(gòu)的變化（圖3）。他們通過計算發(fā)現(xiàn)單層和塊體Bi₂O₂Se都表現(xiàn)出了間接帶隙，并且?guī)峨S著應(yīng)變的增加而減小，進而計算得出了準(zhǔn)確的Bi₂O₂Se由半導(dǎo)體性向金屬性轉(zhuǎn)變的臨界應(yīng)變。通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，Bi₂O₂S的能帶有大約120 meV/% strain的應(yīng)變敏感度，這對于可調(diào)節(jié)電子元器件的開發(fā)有著廣闊的應(yīng)用空間。

圖3. 塊體（a~c）和單層（d~f）Bi₂O₂Se的能帶結(jié)構(gòu)圖

  以上成果以Mechanics and strain engineering of bulk and monolayer Bi₂O₂Se 為題發(fā)表在力學(xué)領(lǐng)域旗艦期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids（JMPS），第一作者為馬里蘭大學(xué)龐震乾博士。

  論文信息：Zhenqian Pang, Teng Li, Mechanics and strain engineering of bulk and monolayer Bi₂O₂Se, Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2021)

  https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104626

  作者簡介：

  馬里蘭大學(xué)李騰教授團隊（http://lit.umd.edu/）專注于高性能可持續(xù)材料、軟材料、低維納米材料、原子尺度催化劑、能源存儲材料等的設(shè)計與開發(fā)，相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature, Science, Nature Review Materials, Nature Nanotechnology, Science Advances, Nature Communications, PNAS, PRL, JACS, Advanced Materials, Materials Today, Advanced Energy Materials 等國際頂級期刊，并于2018年榮獲被譽為“國際發(fā)明創(chuàng)造奧斯卡”的R&D100大獎，以及2019年馬里蘭大學(xué)年度發(fā)明獎（物理科學(xué)領(lǐng)域）。李騰教授現(xiàn)任馬里蘭大學(xué)先進可持續(xù)材料與技術(shù)實驗室主任，Extreme Mechanics Letters副主編，榮獲國際工程科學(xué)學(xué)會青年科學(xué)家獎?wù)拢?016）。李騰教授在2006年和哈佛大學(xué)鎖志剛教授共同發(fā)起創(chuàng)建iMechanica.org,目前已經(jīng)成為國際力學(xué)領(lǐng)域用戶最多的網(wǎng)絡(luò)資源平臺。

  李騰教授的微信視頻號2020年7月5日開通 （微信視頻號：李騰教授），旨在分享科研心得，助力青年學(xué)者科研騰飛。已發(fā)布超過260條干貨短視頻，受到廣泛關(guān)注并被媒體采訪，迅速成為微信視頻號科研類頭部大號。

  李騰教授定期在微信視頻號開通直播，相繼推出了一系列熱門直播系列節(jié)目，包括【科研騰飛—大師訪談】和【騰云會客廳】等系列直播訪談，【科研論文專家門診】現(xiàn)場直播修改論文，以及最新科技前沿進展直播， 觀看直播的科研人員累計已超過40萬人，成為微信視頻號科研類熱門直播。

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