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具有可调控负泊松比特性的范德瓦尔斯异质结材料 | 陈朗教授课题组研究进展

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科技导报 2021-06-15 20:30

来源:微信公众号“Research科学研究”

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南方科技大学陈朗教授团队采用第一性原理计算,预测了范德瓦尔斯异质结中存在具有可调控的负泊松比现象。相关成果以“Tunable negative Poisson's ratio in van der Waals superlattice”为题发表在Research上。

01

研究背景

泊松比作为力学领域的基础参数之一,是衡量材料形变的一项重要指标。

负泊松比(negative Poisson's ratio,简称NPR)材料属于一种力学超材料,并表现出不同寻常的力学行为——当沿一个方向对其拉伸时,其垂直方向上会发生膨胀,如图1所示。

与传统正泊松比(positive Poisson's ratio,简称PPR)材料相比,反常NPR材料表现出剪切强度、抗断裂性能和声波传递速度等显著增大的特点,可作缓冲、吸能和防护等特殊用途(Advanced Materials, 2016, 28: 8079-96)。

图1 传统PPR材料与NPR材料在拉伸时的变形示意图

尽管有很多研究在3维和2维材料中发现了NPR效应,但很少有研究报道范德瓦尔斯(vdW)超晶格中的NPR效应。

并且,在之前的研究中,大多数NPR现象可归因于其独特的皱纹或内凹结构。除了这些特殊的几何原因外,导致NPR效应的微观物理机制依然有待深入研究和探讨。

02

研究进展

陈朗教授团队使用第一性原理计算预测,通过调节vdW石墨烯/六方氮化硼(G/h-BN)超晶格的堆叠模式,可以将其泊松比从零(ZPR)调整为负(NPR),如图2所示。

图2 在面内应变下不同堆积模式的G/h-BN超晶格的俯视图和侧视图

研究指出vdW材料的NPR效应,是由于内界面层之间pz轨道的相互作用导致的。

此外,通过紧束缚模型分析vdW材料电子能带结构计算出的参数(即与层间距相关的跃迁积分),可以用来描述这种相互作用的强度。

图3 G/h-BN在不同堆积模式下的电荷密度图

最后,该工作表明了这种物理机制不仅适用于G/h-BN,还可以解释,例如:一些研究报道实验中发现vdW材料异常的拉胀现象,以及预测其它vdW材料中的NPR效应。

特别感谢南方科技大学卢海舟和张文清团队中强晓斌、龚振昊、张玉波和巩朋来在理论分析以及第一性原理计算工作中给予的支持和帮助。

03

未来展望

该工作通过设计不同的堆叠方式实现了在3维和2维材料中相对罕见,但在vdW材料中大量可调控的NPR现象。

为人们今后探索NPR材料提供了一个新的平台和视角

同时,研究如何将PPR材料转化为NPR材料也具有重要的工程应用价值。可调的NPR特性与vdW材料出色的电/光学特性结合,将为航天、深海以及国防等极端力学环境下可应用的多功能材料提供选择。

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作者简介

陈朗教授,马里兰大学博士,现为南方科技大学教授。工作领域主要在材料物理方向,重点研究原子层结构上的氧化物生长和表征技术。目前已在国际知名期刊发表137篇论文,包括,Physical Review Letters,Advanced Materials等一流期刊,被引近4000次,h因子36。

李晓文,南方科技大学博士后。2010年获中国矿业大学学士学位。2014—2020年先后获哈尔滨工业大学硕士和博士学位。研究内容涉及力学超材料的设计、二维材料的力学性能以及相关物性的研究。为该工作的第一作者。

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