张青课题组与合作者在二维InSe各向异性晶格应变及高压调控光学性

北京大学材料科学与工程学院张青研究员课题组与工学院力学与工程科学系韦小丁研究员课题组合作，揭示二维InSe层状半导体材料在静水压作用下随层厚变化的晶格应变机制，深入理解高压调控的光学跃迁演化过程，为高水平光电器件设计提供了新思路。研究结果以《薄层硒化铟高压作用下各向异性应变及近红外发光调控》（Probing Anisotropic Deformation and Near-Infrared Emission Tuning in Thin-Layered InSe Crystal under High Pressure）为题，于2023年4月6日发表于《纳米快报》（Nano Letters，DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00593）。

二维层状半导体材料具有简易可调的光学和电学性质，是开发低功耗、集成电子和光电子器件的潜力材料。该类材料在外加应力场作用下（如受到压力时）易发生晶格畸变，因此人们可通过应变工程，大范围调控它们的载流子迁移率、荧光量子产率、居里温度等关键参数，并引起拓扑相变、超导等新奇物性。InSe是一种具有高电子迁移率、可见−近红外宽谱发光、高度可压缩性的二维半导体材料，为发展高水平光源和光学传感器件提供了一个良好的材料平台。开展InSe材料的高压光谱学研究，对于理解其结构-物性的构效关系及探索压力相关的新奇物性至关重要。

该工作将不同层数InSe薄片放置在金刚石对顶砧系统中，探测施加静水压时的晶格、电子跃迁演化行为（图1）。当N大于20时，InSe发光峰产生显著蓝移（在1.5 GPa下蓝移量约为128meV）；然而，当N小于15时，发光峰展现单调红移（以约100 meV GPa−1的速率）。在InSe/六方氮化硼体系中，所有厚度样品的发光峰移动行为一致，表明以上层厚依赖行为可能源于InSe和金刚石的界面相互作用。


图1: 不同层数InSe薄片的压力依赖荧光光谱

结合第一性原理计算，合作团队揭示了InSe在静水压作用下随层厚依赖的晶格形变和电子带隙演化机制（图2）：当N = 5−15，由于InSe/金刚石界面的粘附力大于层内压缩力，产生单轴应变，层间压缩占据主导，使得电子带隙减小；当N = 15−20，随着层数N增加，层内压缩力逐渐抵消粘附力，使得压力环境同时兼有单轴压力和静水压的特征；当N = 20−30，层内压缩力完全超过粘附力，静水压占据主导地位，层内压缩导致电子带隙增加。


图2: 层数依赖各向异性形变和电子带隙变化的模型和理论计算

北京大学材料科学与工程学院2018级博士毕业生赵丽云【现工作单位：齐鲁工业大学（山东省科学院）】和工学院力学与工程科学系博士后蒋英杰为论文共同第一作者；张青、韦小丁和赵丽云为论文通讯作者。该工作还得到中国科学院半导体所魏钟鸣研究员的帮助。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京自然科学基金和中科院高能物理研究所北京同步辐射装置高压实验站的支持。