对2D材料在压力下的行为进行建模

Skoltech 能源科学与技术中心 (CEST) 的科学家们开发了一种方法来模拟 2D 材料在压力下的行为。该研究将有助于创建基于硅烯或其他 2D 材料的压力传感器。该论文发表在ACS Nano杂志上。

硅烯被认为是石墨烯的硅类似物，是硅的二维同素异形体。在正常状态下，体硅是一种具有金刚石晶体类型结构的半导体。当它减薄到一层或几层时，它的特性会发生巨大的变化。然而，目前还无法研究 2D 材料在高压下的电子特性变化。

来自俄罗斯、、和比利时的科学家们开发了一种依靠量子化学的理论研究方法，以硅烯为例研究压力下二维材料的电子特性。与在 3D 和 2D 状态下均稳定的碳相比，硅烯是亚稳态的并且易于与环境相互作用。

“硅是体态的半导体和二维态的金属。单层和多层硅烯的性质在理论上得到了广泛研究。由于相邻硅原子之间的相互作用，硅烯呈波纹状而不是扁平状。压力的增加应该Skoltech 研究科学家 Christian Tantardini 解释说，它会使硅烯变平并改变其特性，但这种效应尚无法通过实验进行研究。

在大多数情况下，用于沿垂直于材料平面的轴向材料施加压力的实验工具同时在二维材料的平面方向上产生压缩。因此，得到的测量结果很难准确，所以现在建模似乎是唯一可行的方法。

“在我们的案例中，一种新的理论方法是唯一的解决方案。由于压力仅沿一个方向施加，我们模拟了材料的压缩，并试图找出导致电子结构、硅排列发生变化的原因原子及其在不同压力下的杂化，以及这些层变平的原因，”Skoltech 高级研究科学家 Alexander Kvashnin 评论道。

准确预测硅烯或其他二维材料在压力下的行为将使硅烯成为压力传感器的有希望的候选者。当放置在传感器内部时，硅胶可以帮助根据材料对压缩的响应来确定压力。例如，这种传感器可用于对压力控制要求较高的钻机中，以在不损坏设备的情况下增加钻孔力。

“我们在建模研究中使用了硅烯来测试该方法，该方法也适用于其他二维材料，包括在零压力下已经制造和广泛使用的更稳定的材料，”Skoltech 的客座教授兼教授 Xavier Gonze 说。比利时鲁汶大学(UCLouvain)。