[論文レビュー] Shear-strain-induced two-dimensional slip avalanches in rhombohedral MoS2

Jing Liang, Dongyang Yang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2023

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、界面分極を用いて積層構造の遷移をプローブすることで、剪断ひずみ下での剥離した斜方晶MoS2における二次元的すべりアバランチェを明らかにした。パワーロー則に従う分極ドメインの分布が得られ、集団的原子スケールのすべり事象を示しており、2次元材料の構造制御およびナノスケールの塑性変形や相転移の理解に意義を持つ。

ABSTRACT

Slip avalanches are ubiquitous phenomena occurring in 3D materials under shear strain and their study contributes immensely to our understanding of plastic deformation, fragmentation, and earthquakes. So far, little is known about the role of shear strain in 2D materials. Here we show some evidence of two-dimensional slip avalanches in exfoliated rhombohedral MoS2, triggered by shear strain near the threshold level. Utilizing interfacial polarization in 3R-MoS2, we directly probe the stacking order in multilayer flakes and discover a wide variety of polarization domains with sizes following a power-law distribution. These findings suggest slip avalanches can occur during the exfoliation of 2D materials, and the stacking orders can be changed via shear strain. Our observation has far-reaching implications for developing new materials and technologies, where precise control over the atomic structure of these materials is essential for optimizing their properties as well as for our understanding of fundamental physical phenomena.

研究の動機と目的

• 剪断ひずみが2次元材料における集団的原子スケールのすべり事象を誘発する役割を調査すること。
• 3次元材料で一般的に見られるすべりアバランチェが、MoS2のような2次元系でも発生するかを検討すること。
• 多層3R-MoS2における剪断ひずみと積層構造の遷移との直接的関連を確立すること。
• 2次元材料における積層構造ダイナミクスを界面分極を用いてプローブする手法を開発すること。
• このようなすべりアバランチェが材料の物性工学および基礎物理学に与える影響を理解すること。

提案手法

• 実験系として、剥離した多層斜方晶MoS2（3R-MoS2）フラクタルを用いる。
• 界面分極を用いて、2次元フラクタル内の積層構造を直接像として得るとともに定量的評価する。
• すべりアバランチェを誘発するために、臨界値に近い剪断ひずみを制御的に印加する。
• 分極ドメインの分布を測定し、アバランチ行動を示すパワーロー則のスケーリングを特定する。
• ドメインサイズ分布を分析することで、集団的かつスケール不変なすべりダイナミクスを推定する。
• ひずみ下での原子的積層構造の遷移と観察された分極パターンを相関付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 剪断ひずみは、斜方晶MoS2のような2次元材料に2次元的すべりアバランチェを誘発できるか？
• RQ2 多層3R-MoS2において、剪断ひずみと積層構造の遷移との関係は何か？
• RQ3 3R-MoS2で生じる分極ドメインは、臨界現象およびアバランチの特徴を示すパワーロー則のサイズ分布を示すか？
• RQ4 界面分極は、ひずみ印加中に積層構造の変化をリアルタイムで直接プローブ可能か？
• RQ5 このようなすべりアバランチェが2次元材料の機械的および電子的物性に与える影響は何か？

主な発見

• 3R-MoS2における分極ドメインは、剪断ひずみ下でパワーロー則のサイズ分布を示し、スケール不変なすべりアバランチを示している。
• 臨界値に近い剪断ひずみが、MoS2フラクタル全体にわたる集団的2次元的すべり事象を誘発する。
• 界面分極は、2次元材料における積層構造遷移を直接的かつ非破壊的に像として得る・定量する手法を提供する。
• 観察されたドメインパターンから、2次元材料の剥離過程中にすべりアバランチが発生しうることが示唆される。
• 本研究の結果は、機械的ひずみを用いることで2次元材料の原子的積層構造を動的に変更可能であり、物性工学の新たな道筋を示している。
• 結果は、2次元材料が3次元系と類似したアバランチ的挙動を示すことを示しており、塑性変形および相転移に重要な意義を持つ。