压力调控二维层状纳米材料层间耦合与弹性常数的跨尺度研究

为解决二维层状材料中层间相互作用难以量化的问题，研究人员通过压力工程策略结合超低频拉曼光谱（ULF Raman），系统研究了2H-MoS2的层数依赖性晶格动力学和弹性常数。研究发现剪切模式（SN,1）和层呼吸模式（LBN,N-1）呈现相反的压力响应趋势，通过单原子链模型（MCM）和双原子链模型（DCM）揭示了层间/层内力常数与模量的压力敏感性差异。该工作为二维材料在纳米力学和纳米电子学中的应用提供了重要理论依据。

　　

在二维材料研究领域，层间相互作用如同"隐形的手"，虽微弱却深刻影响着材料的电子、光学和机械性能。过渡金属二硫化物（TMDs）如MoS₂因其独特的层状结构备受关注，但如何精确量化其层间耦合强度一直是悬而未决的难题。传统方法如价带分裂分析受限于材料特异性，X射线衍射需要复杂装置，而原子力显微镜测量则必须在高真空环境下进行。这些技术瓶颈严重制约了二维材料在扭转电子学（twistronics）和纳米力学器件中的应用。

针对这一挑战，由陈亚彬和徐卫皋团队领衔的研究通过创新的压力工程策略，结合超低频拉曼光谱、分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）计算，首次系统揭示了2H-MoS₂中层数依赖的弹性常数演化规律。研究发现压力可显著增强层间相互作用，且这种调控效应与材料厚度密切相关。该突破性成果发表于《Nature Communications》，为二维材料的性能调控提供了全新思路。

研究团队主要采用三项关键技术：1）基于金刚石对顶砧（DAC）的高压拉曼系统，使用甲醇-乙醇-水（MEW）作为压力传输介质；2）单原子链模型（MCM）和双原子链模型（DCM）理论分析框架；3）结合反应经验键序（REBO）势和层间势（ILP）的多尺度分子动力学模拟。样本为机械剥离的2-9层2H-MoS₂纳米片，通过光学对比度和低频拉曼光谱精确确定层数。

【集体LB和S模式以及高频层内拉曼模式】研究发现2H-MoS₂的层内振动模式E¹_2g和A_1g随层数增加呈现相反位移趋势，而低频E_2g（剪切模式）和B_2g（呼吸模式）可通过单原子链模型完美拟合。计算得到常压下面内/面外层间力常数分别为2.8×10¹⁹和8.6×10¹⁹ N/m³。

【6L-MoS₂高压下的低频LB和S模式】在9.6 GPa压力下，6层MoS₂的S_6,1、S_6,3和LB_6,5模式均出现显著蓝移，其中剪切模式的位移速率（dω/dP）远超呼吸模式。使用不同压力传输介质的对比实验证实MEW能提供更好的静水压环境。

【LB和S模式的压力依赖性拉曼结果】系统测量2-9层MoS₂发现：LB_N,N-1模式的dω/dP随层数增加而减小，而S_N,1模式则相反。当N=4时两者dω/dP出现交叉，这一现象被DFT和MD模拟完美验证。

【压力调控的弹性常数和晶格动力学】MCM分析显示8 GPa高压下面内力常数α^∥增长200%，而面外α^⊥仅增长63%。由此计算的弹性模量C_{33和C44呈现类似变化趋势，表明层间耦合对压力更敏感。}

【DCM分析高频拉曼振动】双原子链模型揭示层间剪切力常数C_b^s的压力系数随层数增加而增大，在N=6时达到饱和。值得注意的是，C_b^s/C_w^s比值始终低于4.5%，证明MoS₂在高压下仍保持二维特性。

这项研究通过多尺度实验与理论相结合，建立了二维材料层间耦合强度的普适性量化方法。研究发现：1）剪切模式和呼吸模式对压力的响应存在本质差异，这种差异源于它们不同的原子振动方向与层间耦合强度；2）单原子链模型可准确预测不同层数样品的拉曼位移压力系数，为二维材料力学性能设计提供理论指导；3）层间相互作用增强程度与材料厚度直接相关，这对调控范德华异质结的性能具有重要启示。该工作不仅解决了二维材料力学参数测量的关键技术难题，其建立的压力工程策略还可推广至其他范德华材料体系，为开发高性能纳米机电系统和光电器件奠定了坚实基础。