马里兰大学李腾教授课题组JMPS：硒氧铋(Bi2O2Se)晶体的应变工程学研究

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硒氧铋(Bi₂O₂Se)晶体由于具有高电子迁移率和易于调控的优势在半导体领域受到广泛关注，同时由于其具有空气中稳定、禁带宽度适中、自旋轨道耦合强等特性，被认为是构建新型电子元器件的理想材料。目前，大面积的单层和多层Bi₂O₂Se薄膜已经被成功合成，且在量子输运器件和超快高敏红外光探测等方面表现出优越的性能。与传统二维材料的层间以范德华交互作用主导不同，Bi₂O₂Se的结构本质是带正电的[Bi₂O₂]层与带负电的Se层以弱静电作用交替堆垛。这样的堆垛形式的差异带来了Bi₂O₂Se在加载条件下迥然不同的力学响应，进而对其在半导体领域的应用产生巨大的影响。

近期，美国马里兰大学李腾教授课题组通过密度泛函理论（DFT）的计算发现，单层和块体Bi₂O₂Se晶体有着大约100GPa的杨氏模量，其单轴拉伸强度分别达到了16.1GPa和17.2GPa（图1）。而在双向等应变加载条件下，应力应变曲线出现了两个波峰，通过原子尺度的微观结构分析发现，第一个波峰后应力下降并不是由于[Bi₂O₂]层内褶皱的变平所导致，这与其他面内含褶皱二维材料（黑鳞，硼烯等）的力学响应完全不同。

图1. （a）Bi₂O₂Se原子结构图。（b）单轴拉伸下应力应变曲线。（c）随应变变化的函数。（d）双向等应变拉伸下应力应变曲线。

为了更好的了解Bi₂O₂Se特殊力学响应的内在机理，他们进一步计算了在拉伸过程中的电荷密度和电子局域化函数的衍化（图2），通过分析发现在单轴拉伸情况下，Bi₂O₂Se一直保持着层间的弱静电作用，断裂发生于[Bi₂O₂]层的断裂。而对于双向等应变拉伸，第一个波峰后的应力下降主要是由于[Bi₂O₂]层和Se 层之间共价键的形成，在共价键形成后的后继拉伸阶段，应力应变曲线的上升是由于[Bi₂O₂]层的形变所产生，最终Bi原子坠落入O原子平面而发生材料的破坏。此工作首次从原子尺度揭示了Bi₂O₂Se在不同加载情况下的力学响应机理，对于研究Bi₂O₂Se在不同工作条件下的力学行为以及指导电子元器件的设计方面具有重要的意义。

图2. （a~d）Bi₂O₂Se在拉伸过程中的电子局域化函数。（e~h）Bi₂O₂Se在拉伸过程中的电荷密度衍化。

由于Bi₂O₂Se表现出了与其他二维材料完全不同的变形机理，其内部微观结构的变化直接导致了电子能带结构的变化（图3）。他们通过计算发现单层和块体Bi₂O₂Se都表现出了间接带隙，并且带隙随着应变的增加而减小，进而计算得出了准确的Bi₂O₂Se由半导体性向金属性转变的临界应变。通过进一步分析发现，Bi₂O₂S的能带有大约120 meV/% strain的应变敏感度，这对于可调节电子元器件的开发有着广阔的应用空间。

图3. 块体（a~c）和单层（d~f）Bi₂O₂Se的能带结构图

以上成果以Mechanics and strain engineering of bulk and monolayer Bi₂O₂Se 为题发表在力学领域旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids（JMPS），第一作者为马里兰大学庞震乾博士。

论文信息：

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

作者简介：

马里兰大学李腾教授团队（http://lit.umd.edu/）专注于高性能可持续材料、软材料、低维纳米材料、原子尺度催化剂、能源存储材料等的设计与开发，相关研究成果发表在Nature, Science, Nature Review Materials, Nature Nanotechnology, Science Advances, Nature Communications, PNAS, PRL, JACS, Advanced Materials, Materials Today, Advanced Energy Materials 等国际顶级期刊，并于2018年荣获被誉为“国际发明创造奥斯卡”的R&D100大奖，以及2019年马里兰大学年度发明奖（物理科学领域）。李腾教授现任马里兰大学先进可持续材料与技术实验室主任，Extreme Mechanics Letters副主编，荣获国际工程科学学会青年科学家奖章（2016）。李腾教授在2006年和哈佛大学锁志刚教授共同发起创建iMechanica.org,目前已经成为国际力学领域用户最多的网络资源平台。

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