二维材料及其异质结层间相互作用的外场可控性研究

Given the great interest and promising application prospect of the two-dimensional materials and their heterostructures, we will carry out a theoretical study on their interlayer interaction, and the resulting physical and mechanical properties. By considering the different effects such as constituted components, surface effect, interface, stacking and growth substrate, we will use the first-principles calculation, tight-binding model and force constant model to study the static interlayer interaction of the two-dimensional material and their heterostructures. Furthermore, we will study their dynamic response under the external mechanical load and electric field, and predict the possible novel physical phenomena due to the changing interaction between layers. This project is about solving a multi-disciplinary problem which will require the knowledge of physics, materials, mechanics and optics. Through this project, we will not just have deeper understanding in the response mechanism of the two-dimensional material under multi-field coupling, but also broaden the research field of two-dimensional materials in the physical mechanics aspect.

针对具有广泛应用前景的二维材料及其异质结，本项目拟开展理论研究探讨其层间相互作用及该作用对材料物理性质、力学性质的影响。我们将综合考虑二维材料异质结的不同组份、表面效应、界面结合、生长衬底等因素，运用第一性原理计算、紧束缚模型和力常数模型，研究二维材料及其异质结的静态层间相互作用，以及它们在不同材料组分与不同堆叠方式下的变化规律。二维材料及其异质结在外加力学载荷、电场作用下的动态响应是其应用的基础，我们将系统研究在外场的影响下二维材料层间相互作用的变化，以及可能诱导出现的新奇物理现象。本项目是物理、材料、力学、光学多学科的交叉问题，通过本项目研究，将有助于解决有关二维材料及其器件在多场耦合下的响应机制和外场对材料性能的调控问题，同时也拓宽二维材料物理力学研究领域，摸索一些有效的方法用于处理交叉学科的问题。

本课题研究了新型二维材料与二维材料异质结的新奇物理特性与层间相互作用的关系，以及人工外场方法对它们的可调控性。具体而言，根据申请书的研究内容，具体研究二维材料及其异质结的静态层间相互作用，以及它们在不同材料组分与堆叠方式下的变化规律。二维材料的物理特性主要受其层间相互作用的影响，因此二维材料及其异质结的层间相互作用显得尤其重要，我们在研究中创新性地提出利用过渡金属硫族化合物中的过渡金属自插层的方法来调控二维范德华材料的层间相互作用。通过控制自插层原子的比例，可以在非磁性的材料中实现具有插层原子诱导的磁性。通过调控层间的相互作用，我们可以增强材料的压电性质和铁电等性能。通过数值计算方法，模拟了位错、材料尺寸和应力及外场等对材料电极化性能及压电性能的影响；根据理论研究结果，设计并研究了二维半导体/铁电层状结构的介电性能、压电性能和弯曲性能，实现了通过改变结构的形态、组份，施加应力应变和外电场等对材料性能进行可调控制。通过本项目的实施，我们培养了一批人才，锻炼了队伍，并获得了多个荣誉和大项目。