8月24日，國際學術期刊《自然·物理》在線刊發(fā)了電子科技大學夏娟研究員、王曾暉教授與合作者的研究成果《二硒化鎢-二硒化鉬雙層異質(zhì)結的層間強耦合及高壓調(diào)控研究》。他們借助能產(chǎn)生百萬大氣壓強的金剛石對頂砧(DAC)裝置，針對僅有蟬翼千分之一厚度的二維異質(zhì)結材料開展了極高壓研究。

　　在研究中，科學家們巧妙地利用了二維異質(zhì)結的結構特點，對僅有原子級厚度的納米材料實現(xiàn)了高效壓縮，并觀察到了一系列新奇的物理現(xiàn)象。

　　重于泰山：金剛石壓砧技術

　　“金剛石對頂砧裝置在對微小樣品施加超高壓強方面，具有得天獨厚的優(yōu)勢，是一項非常強大的實驗手段�！毕木暾f。

　　那么，金剛石對頂砧裝置是如何產(chǎn)生超高壓強的？

　　金剛石對頂砧裝置的主要部分是兩顆尖對著尖的鉆石(金剛石壓砧)，以及包圍住兩顆金剛石尖頂(也稱為砧面)之間極小空間的墊片。

　　“當我們推動金剛石壓砧中的兩個金剛石相向而行時，金剛石尖頂之間的空間被急劇壓縮，空間中除了樣品，還充滿了液體傳壓介質(zhì)(例如硅油)。”夏娟解釋說，由于墊片就像一道箍一樣，緊緊地箍住了這些液體傳壓介質(zhì)令其無處釋放，因此樣品所在空間的壓強就會急劇上升，從而在樣品上施加一個巨大的靜水壓，類似于潛入深海時受到的不斷增加的海水壓強。

　　記者了解到，由于金剛石頂部砧面直徑很小，通常只有幾分之一毫米，即差不多4—8根頭發(fā)絲的直徑，因此可以把金剛石底部平面受到的壓力高效集聚，從而在金剛石的頂部達到很高的壓強。我們?nèi)粘Ｉ�活環(huán)境的壓強是1個大氣壓，海底一萬米的壓強約為1000個大氣壓，而利用該裝置則可輕松實現(xiàn)百萬大氣壓的高壓環(huán)境。

　　那么百萬大氣壓究竟有多大呢？人們常開玩笑說“壓力山大”，我們以泰山為例來估算一下。泰山主峰1450米高，以巖石密度為水的3倍計，則被壓在山底下需要承受來自山體的壓強為400多個大氣壓。因此，“重于泰山”其實遠遠不足以形容金剛石對頂砧產(chǎn)生的壓強。

　　薄如蟬翼：新型二維異質(zhì)結材料

　　二維材料是一類目前受到廣泛關注的新型材料，其最顯著的特點是可以薄到僅有原子級別，仍然能夠保持優(yōu)異的材料性能。那“原子級別”究竟是多薄呢？一般的蟬翼是幾個微米的厚度(也就是頭發(fā)絲的十分之一左右)，而物理學家研究的二維材料一般是納米級別的厚度，甚至不到蟬翼的千分之一。因此，“薄如蟬翼”其實遠遠不足以形容二維材料的薄。

　　那什么是二維異質(zhì)結呢？“從結構上來說，可以理解為將不同的二維材料通過特定的方式堆垛起來，構成新的二維材料，類似于將兩片(或多片)不同的‘蟬翼’貼在一起，形成一種新的‘復合蟬翼’�！蓖踉鴷熣f。

　　對科學家來說，各種二維材料就像樂高積木一樣：通過選擇采用不同的二維材料、不同的堆垛方式，可以構成各類新奇的樂高作品——二維異質(zhì)結。這就相當于可以人為地設計出幾乎無限多種新型二維結構，而每種結構都可能具有不同的材料物理特性，因此在很多研究領域中，二維異質(zhì)結都是一類非常具有潛力的新型材料結構。

　　以泰山之重壓蟬翼之薄

　　那么，既然二維材料已經(jīng)薄到原子級別了，還能夠進一步壓縮其厚度嗎？專家給出了肯定的答案。

　　夏娟說：“這個研究，有點類似于把二維異質(zhì)結這樣的‘復合蟬翼’放到萬噸水壓機中間，利用重于泰山的極高壓強來使兩片‘蟬翼’貼合得更為緊密，從而改變兩層‘蟬翼’之間的相互作用，并觀測這一過程對整張‘復合蟬翼’性能的調(diào)控作用。只不過我們這個實驗是在納米尺度進行的。”

　　研究團隊在實驗過程中證實，盡管二維異質(zhì)結的厚度已經(jīng)在原子級別了，但是由于其結構的特點，仍然能夠通過金剛石對頂砧裝置產(chǎn)生的壓強將其的厚度進一步壓縮。當樣品所處環(huán)境壓強增加到一萬個大氣壓左右時，研究者們成功觀察到了二維異質(zhì)結的能帶結構及相關物理特性所發(fā)生的突變。

　　“雖然這個工作是非�；�礎的物理研究，但從應用角度來說，開展基于新型敏感材料在高壓下的物理特性研究，對于開發(fā)新型超高壓傳感器，推動我國深地深海探測技術進步，加快頁巖氣等現(xiàn)代能源戰(zhàn)略的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同樣具有十分重要的科學意義和應用價值�！蓖踉鴷熣f。

　　盛利