【摘要】：低維納米結(jié)構(gòu)具有許多新奇的物理和化學(xué)性質(zhì),因此具有廣闊的應(yīng)用前景。低維結(jié)構(gòu)的特性取決于材料的種類(lèi)和形貌,其電子波函數(shù)在某一個(gè)或者幾個(gè)維度上會(huì)被束縛,從而產(chǎn)生與塊體材料迥然不同的特性,為了滿足不同微型化器件與系統(tǒng)的功能要求,比如集成性光伏器件、電控微波元件、納米發(fā)電機(jī)、自旋電子設(shè)備等,需要制備出結(jié)構(gòu)、形貌、性質(zhì)不同的納米結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)和制備了多肽納米管列陣和畸變的層狀二硫化錸低維結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)形成機(jī)制的系統(tǒng)研究,探究了它們?cè)陔娀瘜W(xué)和電磁學(xué)方面的性質(zhì)和應(yīng)用,獲得了如下的主要研究成果:1、以聯(lián)苯丙二氨酸(雙肽diphenylalanine,DPA)分子為核心,通過(guò)外加電場(chǎng)的濕化學(xué)方法制備出垂直陣列的DPA納米管。通過(guò)分析外加電場(chǎng)方向和生長(zhǎng)方向的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)FF納米管表面存在正電荷的分布,運(yùn)用靜電力顯微鏡(EFM)對(duì)納米管的表面電荷分布進(jìn)行檢測(cè),確認(rèn)正電荷分布密度為5.02840 ×10-4 C/m2。由于垂直納米管的比表面積極大和DPA分子的親水性較好,將上述的納米管陣列進(jìn)行了超級(jí)電容器測(cè)試,一系列的電化學(xué)研究表明,在掃描速度為50 mV/cm2時(shí),該納米管陣列的電容高達(dá)1000 μF/cm2,是一種優(yōu)異的生物兼容的超級(jí)電容器材料。2、層狀二硫化錸(ReS2)具有穩(wěn)定的中心對(duì)稱(chēng)相(centrosymmetry structure,Tc)和非中心對(duì)稱(chēng)相(non-centrosymmetry structure,Td)。然而,由于 Td 與 Tc相原子之間的轉(zhuǎn)變勢(shì)壘太高(4.57 eV),非中心對(duì)稱(chēng)Td相中存在的電偶極矩(electricdipole)在外加電場(chǎng)下無(wú)法實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn),因而不具有鐵電性。針對(duì)這一問(wèn)題,我們通過(guò)在層狀Td-ReS2中引入部分Tc相以改變Re原子的環(huán)境,獲得了過(guò)渡相(transition structure,Tt)。一系列的過(guò)渡相介于Td和Tc相之間,表現(xiàn)為非中心對(duì)稱(chēng)。用原子力顯微鏡(AFM)對(duì)層狀的ReS2進(jìn)行了表征,獲得了一系列二維ReS2薄層,其中有相當(dāng)一部分為單層,厚度在0.91 nm左右。使用球差校正掃描透射電子顯微鏡(Cs-corrected STEM)對(duì)單層ReS2的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測(cè),結(jié)果證實(shí)這些ReS2中不但同時(shí)具有Td和Tc相,在Td和Tc相之間還存在介于這兩相之間的過(guò)渡相(Tt相)。此外,電鏡圖像也顯示,在Tt相處還存在不同程度的Re空位。3、Tt-ReS2為非中心對(duì)稱(chēng)相,屬于典型的鐵電相。第一性原理計(jì)算(DFT)表明,當(dāng)Tt相的原子畸變程度大于30%(設(shè)定Td為0%,Tc為100%)時(shí),Tt相內(nèi)電偶極矩翻轉(zhuǎn)的能量勢(shì)壘降至0.78 eV以下,因而可在該相內(nèi)實(shí)現(xiàn)鐵電性。使用壓電力顯微鏡(PFM)檢測(cè)了單層Tt-ReS2的鐵電性,我們成功觀測(cè)到了該單層二維材料的面外鐵電極化特性曲線和電疇。此外,我們也檢測(cè)到了層狀Tt-ReS2薄膜不同溫度下的電滯回線,進(jìn)一步證實(shí)二維材料Tt-ReS2的鐵電性。4、對(duì)含有Re空位的ReS2各相進(jìn)行了 DFT計(jì)算,發(fā)現(xiàn)在非中心對(duì)稱(chēng)Td和Tt兩相中,Re空位的存在導(dǎo)致ReS2具有磁性。利用超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)和振動(dòng)磁強(qiáng)計(jì)(VSM)進(jìn)行了磁性測(cè)試,結(jié)果顯示畸變的層狀ReS2其飽和磁化強(qiáng)度與Re空位濃度相關(guān),當(dāng)Re空位濃度為～5.5%時(shí),在350 K下仍然可以檢測(cè)到磁滯回線,表明了鐵磁性質(zhì)的存在。我們也使用改進(jìn)型的綜合物性測(cè)量?jī)x(PPMS)對(duì)畸變的層狀ReS2磁電耦合特性進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果表明在45-65 K之間產(chǎn)生了熱釋電電流,經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得鐵電飽和極化強(qiáng)度為18 μC/m2(Po)。在外加磁場(chǎng)作用下,飽和極化強(qiáng)度受到明顯的抑制,當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到2T時(shí),鐵電飽和極化強(qiáng)度降到13.5 μC/cm2,證明了二維材料ReS2不僅是室溫多鐵材料,而且材料中電疇和磁疇在較低磁場(chǎng)下存在耦合。進(jìn)一步檢測(cè)磁致極化電流,發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于32 K時(shí),可產(chǎn)生磁致極化電流,在28 K溫度和低于0.9 T磁場(chǎng)下,磁致極化電荷為3.7μC/m2(PH)。第一性原理計(jì)算表明,Tt-ReS2相中Re空位附近的電偶極矩和凈原子磁矩存在耦合,在外加磁場(chǎng)下鐵電極化會(huì)被抑制,從而產(chǎn)生磁致電極化。這種畸變的層狀ReS2不僅是第一種實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的室溫多鐵二維材料,而且是首個(gè)具有磁電耦合特性的二維材料。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TM53;TN304
【圖文】：

但是近些年來(lái)，隨著在單個(gè)或者數(shù)個(gè)原子級(jí)別層厚的二維半導(dǎo)體材料中的鐵磁性逡逑［１２］和鐵電性［１３－１６］的發(fā)現(xiàn)，開(kāi)啟了新一輪尋找可實(shí)際應(yīng)用的室溫二維壓電體、逡逑二維鐵電體、二維鐵磁體以及二維多鐵的熱潮。如圖１－２所示［１７］，為在單層對(duì)逡逑稱(chēng)性破缺的Ｍ0Ｓ２的優(yōu)良?jí)弘娦院蛻?yīng)用。探索二維半導(dǎo)體材料的這些性質(zhì)有助于逡逑解決傳統(tǒng)塊體材料在納米尺度下性能衰弱和消失的問(wèn)題。更重要的是，探索二維逡逑鐵磁、二維鐵電等的本征性質(zhì)，在尋找滿足目前納米器件功能的二維半導(dǎo)體材料逡逑４逡逑

其形成機(jī)理、性能產(chǎn)生的機(jī)制以及制備高效、多功能的各種結(jié)構(gòu)己經(jīng)吸引了很多逡逑科研工作者的興趣［１８，１９，２０，２１，２２］。聯(lián)苯丙二氨酸（ＤＰＡ）是由兩個(gè)苯丙氨酸分子逡逑通過(guò)脫水縮合形成的二肽分子，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖１－２所示。逡逑ｙＶ邋ｒＶ逡逑圖１－２聯(lián)苯丙氨酸分子的結(jié)構(gòu)式逡逑５逡逑

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