Journal Club | Nano Letters | 直接测定扭角石墨烯与MoS2界面间的扭力

研究背景

扭角二维材料因为优异的电子性能与内含的新奇物理特性而广受研究人员的关注。但目前材料间扭角产生的扭力等关键参数还未得到测量，限制了人们对扭角形成因素的深入理解。

研究创新点

作者通过原子力显微镜测量了MoS2与Gr各自形成的扭角时需要克服的势垒以及响应的扭力系数。

研究内容

首先，为了能够精确测量材料旋转时需要的扭力大小，作者构建了如图1所示的测试结构。此结构由位于中心的圆柱作为旋转主轴，通过在二维材料上依次镀Cr/Ni/Au来剥离表层材料，起到令圆柱中心材料与下层之间发生旋转的目的。

图1 测试结构示意图

通过固定针尖不动，移动位移台的方式，来促使材料发生旋转。并通过针尖在水平方向上的扭转来判断材料所受到的力的大小。测量结果如图2所示。

图2 样品所受力与旋转角度之间的关系

从结果看到，在两种不同材料中，样品在旋转60°与120°时都会面临一个较大的势垒，需要额外的作用力才能令材料发生继续旋转。并且作者注意到120°时需要的力都是60°的一半。分析其原因，作者认为是当120°时，由于针尖与样品之间的相对位置关系，样品受到垂直与水平两个方向上的力，如图3所示。此时根据悬臂扭转推算得到的力大小为真实受力Freal×COSθ。并且此关系正好说明实验测得的扭转力大小的正确性。

图3 不同角度时的受力示意图与校正后的力与角度的关系

通过上述关系，作者重新校正了两者角度与受力之间的关系。由于两种材料均为六次对称结构，所以每经过60°后，材料形成完美的堆垛结构，此时需要一个较大的力来推动材料旋转。并通过更改针尖与样品的相对位置验证了此关系。

图4 样品角度与受力关系2

在此之后，作者还改变了上下层之间的接触面积（通过改变转轴中心面积实现），并进行了测量，得到了两种材料的扭力系数分别为0.6384与0.1533 N-m/m2。

图5 不同中心轴面积下材料受到的扭转势垒大小

最后，作者改变了测量结构的构型测试了材料内滑移的势垒，进一步研究了材料滑移与扭转之间的关系。发现在Gr内，滑移势垒要远高于扭转，所以在受力时，倾向于以扭转的方向发生相对移动。而在MoS2内，两者之间存在相对大小变化，滑移与扭转会交替出现在运动过程中。

结论

作者测定了MoS2 和石墨的扭矩与角度偏之间的关系。此外，还通过剪切实验测定了 MoS2 和石墨界面的粘附能，并与扭转能进行了比较。结果发现，石墨界面的附着能明显高于其扭转能，这表明相称配置更容易发生扭曲而非滑动。相反，MoS2 的扭转能略高于其粘附能。略高于其粘附能。实验结果为二维材料界面中滑动和旋转之间的相互作用提供了定量洞察力和旋转在二维材料界面中的相互作用提供了定量见解，为开发动态异质结构提供了有价值的信息。为开发动态异质结构提供了有价值的信息。

Direct Determination of Torsion in Twisted Graphite and MoS₂ Interfaces

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01944

第一作者：Gautham Vijiayan；

通讯作者：Elad Koren；

通讯作者单位：Nanoscale Electronic Materials and Devices Laboratory, Faculty of Materials Science and Engineering, Technion – Israel Institute of Technology.