垂直堆叠的NbSe?/MoS?和WS?/MoS?范德华异质结构的力学行为的分子动力学研究

《Mechanics of Materials》：A Molecular Dynamics Study of Mechanical Behavior of Vertically Stacked NbSe 2/MoS 2 and WS 2/MoS 2 van der Waals Heterostructures

二维异质结构机械性能及断裂机制的温度依赖性研究：采用分子动力学模拟分析NbSe?/MoS?和WS?/MoS?异质结构在100-600K温度范围内的弹性模量、抗拉强度及手性效应影响，发现垂直堆叠显著改变层间力学行为，断裂源于MoS?层，且 zigzag 方向断裂应变更大。

　　

作者：Pratic Sarker Sourov、Sanjay Kushal Biswas、Bishwajit Kar、Mohammad Jane Alam Khan

机构：孟加拉工程与技术大学（BUET）机械工程系，达卡-1000，孟加拉国

摘要

通过垂直堆叠单层材料形成的二维（2D）异质结构具有超越单层2D材料的多功能特性。本研究利用分子动力学（MD）模拟方法，探讨了NbSe₂/MoS₂和WS₂/MoS₂异质结构在扶手椅型和之字形方向上的温度依赖性机械性能、手性效应及断裂机制。研究结果表明，垂直堆叠显著影响了各组成层的机械性能，尤其是杨氏模量（YM）和极限抗拉强度（UTS）。当MoS₂垂直堆叠在NbSe₂上时，异质结构的UTS低于其单层材料；相反，当MoS₂堆叠在WS₂上时，UTS高于MoS₂但低于WS₂。此外，WS₂/MoS₂的YM高于MoS₂的YM，而NbSe₂/MoS₂的YM低于MoS₂的YM。这些机械趋势在研究的温度范围内（100 K-600 K）保持一致。随着温度的升高，UTS和YM值均有所下降，这突显了机械性能对热条件的敏感性。还观察到方向各向异性：由于原子排列更紧密，之字形方向的键具有更大的断裂应变。

引言

近年来，二维（2D）材料因其在材料科学中的卓越性和可调物理化学性质而受到研究人员的广泛关注，尤其是石墨烯的突破性发现[1]。这些材料具有原子级厚度和广泛的电子行为特性，从半导体到超导体，为先进应用（特别是在半导体技术、光子学和光电子学领域）提供了巨大潜力[2]、[3]、[4]。2D材料分为两类：单元素材料如石墨烯（碳）、硼烯（硼）和硅烯（硅），以及化合物过渡金属硫属化合物（TMDCs）如MoS₂、WS₂、NbSe₂、六方氮化硼（hBN）等[4]。

将各种功能性2D材料集成到异质结构中已成为探索超越单个单层材料能力的新电机械现象的有前景策略[5]。异质结构通过堆叠不同的TMD单层来增强或组合它们的性能[6]。可扩展和可编程合成技术的进步使得基于2D异质结构的器件得以开发，展现出出色的性能[7]。这些异质结构大致可分为范德华（vdW）异质结构、外延生长的3D异质结构和静电组装的异质结构[8]。vdW异质结构由具有兼容晶格常数的垂直堆叠的2D层组成[9]、[10]、[11]，可通过机械堆叠或直接生长方法制备[8]。该领域的最新进展催生了多种应用，包括LED、光电探测器、晶体管、储能系统和太阳能电池[11]、[12]。

2D材料，如石墨烯和TMDs，因其独特的电学、光学、机械和热学特性而处于基础研究和应用研究的前沿。TMDs的化学式为MX₂（其中M为过渡金属如Nb、Mo、W，X为硫属元素如S、Se），具有六方晶体结构，通过范德华键连接，属于P6₃/mmc空间群[13]。根据过渡金属原子的配位环境，这些材料有多种结构相，最著名的是八面体（T相）和三角棱柱体（H相）构型[14]。许多单层TMDs的固有直接带隙使其适用于光电子应用，包括电池、场效应晶体管（FETs）、纳米发电机和光电探测器[15]。尽管TMDs具有相似的晶体结构，但它们的物理性质（如带隙、热电转换、光物质相互作用等）存在显著差异，堆叠的异质结构在光伏性能、弹性、热传导等方面也表现出明显差异。由于MoS₂层在其他单层材料中的断裂应变较低，因此在两种加载条件下，断裂都起源于MoS₂层。

方法论

本研究采用分子动力学（MD）模拟方法，研究了NbSe₂/MoS₂和WS₂/MoS₂异质结构在扶手椅型和之字形方向上单轴拉伸载荷下的温度依赖性机械性能和断裂行为。拉伸模拟使用LAMMPS（大规模原子/分子并行模拟器）[36]进行，并通过OVITO[37]进行可视化。每个异质结构中单层内的原子间相互作用通过多体理论进行定义。

结果与讨论

本研究探讨了手性和温度对NbSe₂/MoS₂和WS₂/MoS₂异质结构机械性能和断裂机制的影响。温度对原子能量和迁移率有显著影响，键方向的变化导致拉伸载荷下的键伸长和断裂行为存在显著差异。在100K、200K等六个不同温度下，对NbSe₂/MoS₂和WS₂/MoS₂异质结构进行了拉伸载荷模拟。

结论

本研究利用MD模拟方法，考察了在100 K至600 K温度范围内，NbSe₂/MoS₂和WS₂/MoS₂异质结构在扶手椅型和之字形加载方向上的机械性能和断裂机制。异质结构的YM和UTS取决于层间耦合及各层的相对强度。异质结构中较弱的层控制着结构的强度和失效方式。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

作者贡献声明

Pratic Sarker Sourov：撰写初稿、验证、资源准备、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。 Mohammad Jane Alam Khan：撰写修订稿、数据可视化、结果验证、研究监督。 Bishwajit Kar：数据可视化、实验研究、数据分析、概念构建。 Sanjay Kushal Biswas：撰写初稿、结果验证、软件使用、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。

数据可用性

数据可应要求提供。