近日，兰州大学材料与能源学院暨电镜中心彭勇教授团队与美国加州大学洛杉矶分校的段镶锋教授团队合作，在Nature
Materials期刊上发表题为《Interlayer reconstruction phase
transition in van der Waals
materials》的研究论文。研究工作通过可控电流驱动相变的方法结合原位球差扫描透射电子显微镜（Cs-STEM）技术，揭示了铁电层状In₂Se₃材料从2H-α相到2H-β相的层间相变机制。材料与能源学院张军伟副教授为文章第一作者，加州大学原博士后、中山大学副教授王来源（同时为通讯作者）、华中科技大学吕京涛教授、中国科学技术大学王喆博士和加州大学伍环博士生为文章共同第一作者。
范德华（vdW）材料，凭借其丰富的结构多态性和独特的物理性质，在相变应用领域中占据了举足轻重的地位。研究者们对此投入了大量精力，致力于探究vdW材料在电子束/激光辐照、离子掺杂、静电调控等多种外界刺激下的相变行为及其物理性质的转变。传统理论指出，vdW材料的相变主要通过层内滑移或形变机制来实现，且原子重组主要发生在每个独立的共价键合层内。然而，在实际研究中，精确捕捉vdW材料在原子尺度上的相变动力学过程及其伴随的原子重排机制面临着严峻挑战，主要原因在于相变过程的快速性和极端空间高分辨率的要求。当前，具备高时空分辨率的球差透射电子显微镜（Cs-STEM）使得这一研究成为了可能。
研究团队选择了铁电二维层状In₂Se₃作为研究对象，利用外部电压（或电流）外场调控，进行了具有原子级分辨率的球差电镜（STEM）原位研究，观察到了电压诱导下的相变起始于材料的局部缺陷区域，随后逐渐蔓延至整个材料，此过程中伴随着导电性能的显著变化。研究首次揭示了铁电In₂Se₃铁电材料的2H-α®2H-β相变先后经历层内劈裂（即层内结构的分离）和层间重构（即层间结构的重新组合），与以往层内原子重排路径的传统猜测和认识明显不同。
与此同时，研究工作进一步发现相变的传播方向受到电流方向的调控，显示出明显的异质结界面珀耳帖效应（Peltier
effect）。密度泛函理论（DFT）计算揭示能量级联机制驱动了其层内分裂与层间重构相变过程，其中的化学键断裂与形成是造成能量变化的主要来源。特别是，范德华间隙区域内的结构促进了共价层中化学键的断裂，所需的激活能低至0.45
eV，为相变发生提供了有利条件。这一发现揭示了范德华材料相变的新机制，为该类材料在相变存储器或类神经元等未来器件中的研究和应用开辟了新的广阔前景。
以上研究成果主要依托兰州大学电镜中心国际一流的电子显微学硬件条件完成，同时得到了国家自然科学基金（12374011,
51771085 and 52101224）和科技部国家重点研发计划项目（2022YFC2903504）资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02082-w
【新闻背景】
兰州大学电镜中心是学校自2015年起重点建设的跨学科、跨学院大型仪器设备开放测试及前沿科学研究基地，先后4次通过“双一流建设”
项目和国家中长期贷款资金进行建设，目前拥有总价值 2.2
亿的各类型电镜和样品制备设备，能在原子层面上为各自然学科提供形貌、微结构、化学元素、电子态和动态物理学化学过程的前沿电子显微学研究基地，具备国际一流的先进、完整的软硬物质电子显微学研究硬件条件。目前，已经为校内外1732个课题组、研究团队、企事业单位、数万个研究工作者提供显微学测试与研究服务，年均测试超过5万个样品，已培养出800余名电镜技术人才，惠及国内外300多所高校、研究所和企事业单位。尤其在本校的高水平科研助力上贡献明显，自建设以来，一直支撑了学校每年60%以上的SCI
顶刊高水平科研成果产出。
近三年来，彭勇教授带领的材料与能源学院暨电镜中心电子显微学研究团队，独立开展研究或与国内外合作伙伴利用中心硬件条件也同时发表了近二十余篇通讯或者一作高水平SCI文章，具体：张军伟副教授Nano
Lett. 2025,
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05644; Nano Lett.
2024, 24 （35）， 11028 – 11035；陈斌博士生Nano Today, 2024, 56,
102260; 胡阳青年研究员Nat. Commun. 2023, 14,
1949（与化学化工学院席聘贤教授和严纯华院士合作）；李华高级工程师Angew. Chem. Int. Ed.
2023, 63（1）， e202316384（与化学化工学院汪宝堆教授合作）；张利利青年研究员Adv.
Funct. Mater. 2022, 10, 2204760; 邓霞副教授Materials Today
2022, 57, 66-74;与新加坡国立大学Hyunsoo Yang教授合作发表Nat. Commun.
2024, 15, 4472; 与清华大学江万军教授合作发表Phys. Rev. Lett. 2022,
128, 167202; 与沙特阿卜杜拉国王科技大学张西祥教授合作发表ACS Nano 2024, 18（1），
761–769；Adv. Mater. 2023, 35（1）， 2205967; Adv. Mater.
2022, 34（12）， 2204163; 与西安交通大学刘明教授合作发表Adv. Mater. 2022,
34（13）， 2108419; 与四川大学吕想特聘副研究员合作发表Adv. Funct. Mater.
2024, 34（14）， 2313662；与化学化工学院王为教授合作发表J. Am. Chem. Soc.
2024, 146 （16）， 11450–11456；与化学化工学院曹靖教授合作发表Angew. Chem.
Int. Ed. 2023, 62（17）， e202218478。
|
