通过利用合金元素的作用，在增材制造的Invar合金中实现高强度和低热膨胀系数的目标

《Journal of Materials Science & Technology》：Achieving high strength and low thermal expansion coefficient in additively manufactured Invar alloys by leveraging the effect of alloying elements

二维异质结构Ti?CX?/WS?（X=O,F,OH）的机械与电子响应研究 通过密度泛函理论分析单轴拉伸下的结构稳定性、力学性能及电子特性变化，发现异质结构相较于单体层具有更高的抗拉强度，断裂机制源于Ti?CX?或WS?层间的键断裂。Ti?CO?/WS?异质结构在应变下表现出可调谐的带隙特性，而Ti?CF?/WS?和Ti?C(OH)?/WS?则分别呈现金属化和独特的带隙变化。应变诱导的能带对齐类型转换揭示了异质结电子性质的动态可调性。

　　本研究聚焦于二维（2D）材料在应变工程中的应用，特别是在机械性能和电子特性方面的调控。二维材料因其独特的层状结构而备受关注，这种结构赋予了它们在平面方向上强大的共价键，而在层间则依赖于较弱的范德华（vdW）相互作用。正是这种特殊的结构特性，使得二维材料在下一代电子和光电子器件的设计中展现出巨大的潜力。然而，尽管对二维材料的电子和光学性能在应变条件下的调控已有深入研究，其机械可靠性和断裂机制仍然是制约实际应用的关键因素。

研究团队通过密度泛函理论（DFT）对Ti?CX?/WS?（X为O、F、OH）这类范德华异质结构在单轴拉伸变形下的机械与电子响应进行了系统分析。这些异质结构由MXenes和过渡金属二硫属化合物（TMDs）组成，MXenes通过去除MAX相中的A层而制备，具有丰富的表面官能团，能够显著影响其物理和化学性质。TMDs则因其在半导体性能、电子迁移率、机械柔性和热导率方面的优异表现而成为研究热点。Ti?C作为MXenes的一种，不仅具有轻质特性，还展现出卓越的机械性能，并且在表面官能化后可以转变为半导体，而不会牺牲其高载流子迁移率，使其在电子器件中具有广阔的应用前景。

在构建异质结构时，研究团队考虑了多种可能的堆叠方式，并通过比较结合能来筛选出最稳定的结构。进一步的动态稳定性分析通过DFT扰动理论（DFPT）方法进行，以验证所选堆叠模式在应变条件下的稳定性。为了评估MXenes与TMDs之间的范德华相互作用，研究团队还进行了电荷密度差（CDD）和电子局域函数（ELF）的计算，并结合Bader电荷分析来深入理解电子在异质结构中的分布情况。

通过单轴应力-应变分析，研究团队发现这些异质结构在拉伸变形下的机械响应与单一单层材料存在显著差异，且所有异质结构均表现出增强的极限拉伸强度。这表明，异质结构在机械性能上具有优势，可能更适合用于柔性电子器件和应变工程应用。此外，研究团队利用径向分布函数（RDF）分析了应变条件下异质结构的内在结构变化，发现断裂主要源于Ti?CX?或WS?单层中原子键的断裂。这一结果对于理解异质结构的断裂机制至关重要，同时也为设计更耐用的二维材料提供了理论依据。

在电子特性方面，研究团队采用了混合泛函计算方法，分析了应变对异质结构带隙和带偏移的影响。结果显示，只有Ti?CO?/WS?异质结构在应变条件下能够保持可调的带隙，而Ti?CF?/WS?和Ti?C(OH)?/WS?则表现出金属特性。这一发现表明，不同表面官能团对异质结构的电子性能具有显著影响。进一步的分析表明，在Ti?CO?/WS?异质结构中，随着应变的增加，其带偏移从类型-II转变为类型-I，随后又恢复为类型-II，这一动态且可逆的电子行为为设计具有应变调控能力的异质结构提供了新的思路。

研究团队指出，当前关于应变工程的研究主要集中于电子和光学性能的调控，而对机械响应的研究相对较少。此外，一些研究发现，应变的方向可以引发二维材料的各向异性响应，从而显著影响其机械、电子和光学性能。例如，C?N材料在锯齿方向上的机械刚度高于椅式方向，且其电子和光学特性也表现出方向依赖性。同样，TMD单层材料在应变作用下也会出现直接与间接带隙之间的转变，以及光致发光强度的变化。这些现象强调了对二维异质结构在单轴应变条件下的系统研究的重要性。

在实际应用中，二维材料通常需要与基底材料结合，而这种结合过程中可能会引入单轴应变，例如由于不对称晶格失配或热膨胀导致的应变。这种应变会引发方向依赖的结构畸变，从而影响材料的性能。然而，目前大多数研究集中在双轴应变条件下，对于单轴应变对关键性能参数的影响，如带隙变化、载流子迁移率和机械稳定性等，仍缺乏系统的分析。此外，尽管已有研究探讨了二维材料的弹性特性，但关于其断裂行为的研究仍然较少。这主要是由于二维材料的原子级厚度使其在实验测量中面临诸多挑战，包括对热力学条件的高度敏感性。因此，理论研究成为理解材料断裂机制和评估其机械鲁棒性的重要手段。

通过DFT计算，研究团队不仅揭示了Ti?CX?/WS?异质结构在单轴拉伸下的机械响应，还深入探讨了其电子特性在应变条件下的变化。这种研究方法为设计具有高机械强度和可调电子性能的二维异质结构提供了理论支持，同时也为应变工程在实际器件中的应用奠定了基础。例如，在柔性电子器件中，材料需要具备良好的机械性能，同时能够通过应变实现电子特性的动态调控。Ti?CX?/WS?异质结构表现出的增强机械性能和可调带隙特性，使其成为这类应用的理想候选材料。

此外，研究团队还指出，不同表面官能团对异质结构的机械和电子性能具有显著影响。例如，O、F和OH等官能团在MXene表面的形成通常与HF蚀刻过程相关，这些官能团不仅增强了异质结构的稳定性，还可能通过改变材料的界面特性来影响其整体性能。而Cl和S等其他官能团则通常通过熔盐反应或硫化过程形成，其对异质结构的影响则需要进一步研究。这种官能团的多样性为二维异质结构的设计和优化提供了丰富的可能性，同时也对理解其性能变化机制提出了更高的要求。

本研究的结果表明，通过应变工程可以有效调控二维异质结构的机械和电子性能，而这种调控能力对于开发高性能的柔性电子器件和光电子器件具有重要意义。Ti?CO?/WS?异质结构在应变条件下的动态带偏移特性，为实现电子性能的可逆调控提供了新的途径。同时，其增强的机械性能表明，该异质结构在实际应用中能够承受较大的应变，从而提高器件的耐用性和可靠性。

总的来说，本研究通过系统的理论计算，揭示了Ti?CX?/WS?异质结构在单轴应变条件下的机械和电子响应，为设计和优化具有应变调控能力的二维材料提供了重要的理论依据。未来的研究可以进一步探索不同表面官能团和应变方向对异质结构性能的影响，以及如何通过应变工程实现更精确的性能调控。此外，结合实验研究，可以验证理论计算结果，并进一步推动二维异质结构在实际器件中的应用。