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  硒氧鉍(Bi₂O₂Se)晶體由于具有高電子遷移率和易于調控的優勢在半導體領域受到廣泛關注，同時由于其具有空氣中穩定、禁帶寬度適中、自旋軌道耦合強等特性，被認為是構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出優越的性能。與傳統二維材料的層間以范德華交互作用主導不同，Bi₂O₂Se的結構本質是帶正電的[Bi₂O₂]層與帶負電的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響應，進而對其在半導體領域的應用產生巨大的影響。

  近期，美國馬里蘭大學李騰教授課題組通過密度泛函理論（DFT）的計算發現，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）。而在雙向等應變加載條件下，應力應變曲線出現了兩個波峰，通過原子尺度的微觀結構分析發現，第一個波峰后應力下降并不是由于[Bi₂O₂]層內褶皺的變平所導致，這與其他面內含褶皺二維材料（黑鱗，硼烯等）的力學響應完全不同。

圖1. （a）Bi₂O₂Se原子結構圖。（b）單軸拉伸下應力應變曲線。（c）隨應變變化的函數。（d）雙向等應變拉伸下應力應變曲線。

  為了更好的了解Bi₂O₂Se特殊力學響應的內在機理，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的衍化（圖2），通過分析發現在單軸拉伸情況下，Bi₂O₂Se一直保持著層間的弱靜電作用，斷裂發生于[Bi₂O₂]層的斷裂。而對于雙向等應變拉伸，第一個波峰后的應力下降主要是由于[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，應力應變曲線的上升是由于[Bi₂O₂]層的形變所產生，最終Bi原子墜落入O原子平面而發生材料的破壞。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響應機理，對于研究Bi₂O₂Se在不同工作條件下的力學行為以及指導電子元器件的設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。（e~h）Bi₂O₂Se在拉伸過程中的電荷密度衍化。

  由于Bi₂O₂Se表現出了與其他二維材料完全不同的變形機理，其內部微觀結構的變化直接導致了電子能帶結構的變化（圖3）。他們通過計算發現單層和塊體Bi₂O₂Se都表現出了間接帶隙，并且帶隙隨著應變的增加而減小，進而計算得出了準確的Bi₂O₂Se由半導體性向金屬性轉變的臨界應變。通過進一步分析發現，Bi₂O₂S的能帶有大約120 meV/% strain的應變敏感度，這對于可調節電子元器件的開發有著廣闊的應用空間。

圖3. 塊體（a~c）和單層（d~f）Bi₂O₂Se的能帶結構圖

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

  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：

  馬里蘭大學李騰教授團隊（http://lit.umd.edu/）專注于高性能可持續材料、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計與開發，相關研究成果發表在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“國際發明創造奧斯卡”的R&D100大獎，以及2019年馬里蘭大學年度發明獎（物理科學領域）。李騰教授現任馬里蘭大學先進可持續材料與技術實驗室主任，Extreme Mechanics Letters副主編，榮獲國際工程科學學會青年科學家獎章（2016）。李騰教授在2006年和哈佛大學鎖志剛教授共同發起創建iMechanica.org,目前已經成為國際力學領域用戶最多的網絡資源平臺。

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