中国科学技术大学Nat.Commun.：二维材料堆叠中自然弯曲现象！

摘要：文章预测了二维界面会发生“自发曲率”，即当两个平整的二维层相互靠近时，它们会不可避免地经历面外弯曲。基于深度学习辅助的大规模分子动力学模拟，观察到石墨烯/氮化硼（Gr/BN）双层中由于曲率引起的显著面外位移，高达3.8 Å，形成了稳定的六角莫尔图案，与实验观察

文章预测了二维界面会发生“自发曲率”，即当两个平整的二维层相互靠近时，它们会不可避免地经历面外弯曲。基于深度学习辅助的大规模分子动力学模拟，观察到石墨烯/氮化硼（Gr/BN）双层中由于曲率引起的显著面外位移，高达3.8 Å，形成了稳定的六角莫尔图案，与实验观察结果相符。此外，二维晶体的面外柔韧性使得曲率能够在整个系统中传播，从而影响异质结构的机械性能。这些发现为二维范德瓦尔斯异质结构中的原子结构提供了基本见解，并为其在器件中的应用铺平了道路。

背景

二维范德瓦尔斯异质结构由不同性质的二维晶体组成，是新一代二维电子设备的基石。然而，异质结构中的界面不可避免地破坏了体材料的对称性和结构连续性，导致精细的原子重排和新的电子结构。文章提到，界面质量在决定器件性能中起主导作用，推动了界面工程的发展。二维材料由于层间范德瓦尔斯相互作用较弱，可以轻松堆叠而不会经历大的应变变形或局部无序，从而实现原子级锐利的界面。因此，二维范德瓦尔斯异质结构提供了一个比传统体异质结构更多的组合可能性的平台。

主要内容

文章的主要内容包括对二维异质结构中自发曲率的预测、模拟和分析。研究者们提出了一个自发曲率模型，通过深度学习辅助的分子动力学模拟，观察到Gr/BN异双层中显著的面外高度位移。这种曲率在域和域壁中表现出相反的符号，导致域壁的抑制和域的扩展。此外，这种曲率在热涨落和层间晶格取向不匹配的情况下仍然保持稳定。文章还讨论了曲率对原子重排的影响，以及如何通过控制二维界面的原子重排来调节关键属性，为量子模拟、光电子器件和低摩擦连接器等潜在应用提供了可能。

实验细节

实验中，研究者们使用了深度学习辅助的大规模分子动力学模拟来研究Gr/BN和过渡金属二硫化物（TMD）双层。模拟中，莫尔超胞被调整为共格状态，以确保原始单层是平整且无应变的。通过能量最小化使用共轭梯度算法优化异质结构。在表面重构模型中，石墨烯层中的原子被完全放松，而BN层中的原子被限制在x和y方向上移动，以限制它们的面外自由度。在自发模型中，所有原子都被完全放松。对于Gr/BN异质结构的拉伸测试，构建了一个矩形超胞，尺寸为239 Å长和138 Å宽。系统温度通过Nose-Hoover恒温器维持在1 K。在拉伸测试期间，应变率被设置为10^-3 ps^-1。时间步长被设置为1 fs。

文章的创新之处在于提出了二维异质结构中自发曲率的概念，并通过模拟实验验证了这一预测。这种自发曲率不仅在理论上是一个新的发现，而且在实际应用中也具有重要意义，因为它提供了一种通过控制原子重排来调节二维材料机械性能的新方法。

结论

二维范德瓦尔斯异质结构中的自发曲率模型通过分子动力学模拟得到了验证。Gr/BN双层在放松后展现出在低能域的平滑凹陷和在高能域壁的尖锐凸起。这种面外曲率进一步缩小了域壁宽度，并充分降低了整个系统的总能量，超出了面内应变效应。曲率在热涨落和层间晶格取向不匹配的情况下仍然稳定。此外，研究发现曲率对应变条件敏感，可以通过小的外部加载轻易调节。由曲率引起的三维图案影响了Gr/BN双层的机械性能。当莫尔图案存在时，Gr/BN双层比石墨烯和BN单层更软。随着莫尔图案消失并转变为条纹图案，Gr/BN双层的强度恢复并呈现出周期性波动。基于分子动力学模拟，曲率提供了通过控制二维界面的原子重排来调节范德瓦尔斯异质结构机械性能的独特机会。

图1 | 二维范德华（vdW）异质结构的自发曲率模型。a为松弛前后石墨烯(Gr)/氮化硼(BN)双层的原子模型，面外波动幅度放大了3倍。b为一维示意图，比较了刚性模型、表面重构模型和自发曲率模型。绿色代表不稳定的堆叠状态。c为具有曲率的二维界面的几何示意图。

图2 | 石墨烯(Gr)/氮化硼(BN)摩尔超晶格中的自发曲率。a为石墨烯层的高度位移分布，b为氮化硼层的高度位移分布。原子根据其相对于每层最低高度的高度进行着色，如右侧颜色条所示。c中的曲率是根据(a)中黄色虚线所示的原子位置计算得出的。插图描绘了(a)中黄色虚线的侧视图以及AA、CB和CN堆叠模式的原子结构。灰色、黄色和绿色球体分别代表C、N和B原子。原始数据作为源文件提供。

图3 | 基于表面重构模型和自发曲率模型的石墨烯(Gr)/氮化硼(BN)双层的原子重排。a为表面重构模型中石墨烯层的键长分布，b为自发曲率模型中石墨烯层的键长分布。键拉伸表示键长超过平衡键长的比例。c为刚性模型、表面重构模型和自发曲率模型的层间距离。虚线代表最大层间距离的97%。彩色阴影代表畴壁。原始数据作为源文件提供。

图4 | 有限温度下石墨烯(Gr)/氮化硼(BN)双层的高度位移分布。面外摩尔超晶格图案在热波动下保持稳定。原子根据其相对于每层最低高度的高度进行着色，如底部颜色条所示。

图5 | 外部载荷下石墨烯(Gr)/氮化硼(BN)异质结构的曲率模式和力学性能。a为沿x轴单向拉伸载荷下石墨烯单层(Gr)、氮化硼单层(BN)和石墨烯/氮化硼双层(Gr/BN)的应力-应变关系。插图展示了从0到0.018的单向拉伸应变下石墨烯、氮化硼和石墨烯/氮化硼的应力-应变关系。b为在0、0.01和0.018应变下石墨烯/氮化硼双层的三维原子结构。原子根据其高度位移进行着色，如下方的颜色条所示。c、d分别为沿x轴单向加载下石墨烯/氮化硼双层的应力-应变曲线的一阶导数（dσ/dε）和最大高度位移。原始数据作为源文件提供。