国家纳米科学中心Adv. Mater.：二维材料的应变工程：界面的问题和机遇

【引言】

2D材料是一种原子级的薄材料，可以很好地用于下一代超薄半导体器件。研究表明，机械应变会强烈扰动2D材料的能带结构，从而可以通过机械变形来有效调节其电子和光子性。实际上，这种称为应变工程的原理现在通常用于制造传统的半导体器件。与传统电子材料相比，单层原子片本省能够承受更大的机械应变，而且2D材料的薄度也可以通过弯曲或折叠来诱发更大的局部应变，因而2D材料的应变工程尤其令人兴奋。2D材料的这些特殊性使得研究新的基础物理学和在大应变水平下出现的2D材料的应用创造了机会。

【成果简介】

近日，国家纳米科学中心张忠研究员（通讯作者）和刘璐琪研究员（通讯作者）在Advanced Materials上发表了题为“Strain Engineering of 2D Materials: Issues and Opportunities at the Interface”的综述文章。在该综述中，首先对2D材料-基板系统的变形模式进行分类，并总结了最近实现基底支撑2D材料的机械应变的实验成果。然后，回顾了2D材料-基底界面对面内剪切变形和面外分层的机械响应的最新实验表征。考虑到该领域研究的跨学科性质，作者最后还对新兴2D材料的合成、2D材料中应变的特征化以及机械应变2 D材料的应用等进行了综合评述。

【图文导读】

图1 面内模式

(a) 由晶格不匹配引起的应变；

(b) 由热膨胀不匹配引起的应变；

(c) 上图：通过使支撑基板变形来对2D材料获得应变的示意图；下图：剥离石墨烯的变形顺序和2D带位置的响应。

图2 平面外模式：褶皱和扣环

(a) 通过压缩或预拉伸基板引起2D材料的弯曲和皱折的示意图；

(b) 通过热膨胀不匹配引起2D材料的弯曲和皱折的示意图；

(c) 通过晶格不匹配引起2D材料的弯曲和皱折的示意图；

(d) 弹性基底上的弯曲MoS₂薄片的SEM图像；

(e) 准三角形单层WS₂的PL强度映射图像；

(f) 显示Bi₂Se₃ / Bi₂Te₃异质结每个边缘处的三个扣环的倾斜视图SEM图像；

(g) 皱纹10nm厚的黑磷薄片的光学图像；

(h) 在铜上的褶皱、六角形石墨烯片的SEM图像；

(i) 三个单层WS₂/WSe₂超晶格的SEM图像。

图3 平面外模式：气泡和帐篷

(a) 石墨烯气泡的AFM图像；

(b) 通过沉积到SiO₂纳米柱阵列上形成的石墨烯帐篷的SEM图像；

(c) 入射在纳米气泡上包含K和K'谷的入射电子波经过相关伪磁场的示意图；

(d) AFM图像（右图）和纳米柱戳的WSe₂帐篷的相应峰PL信号图。

图4 面外模式：一致的模式

(a) 线条和点的压痕图案的AFM图像；

(b) 在纳米锥基底上的应变MoS₂的SEM图像；

(c) 图案化基底上石墨烯的SEM图像：细长金字塔、矩形柱和反向金字塔。

图5 面内界面行为

(a) 通过悬臂梁对单层石墨烯薄片施加张力的示意图；

(b) 实验中的简化建模：石墨烯/基底系统的单轴拉伸；

(c) 在基板上沿着单层石墨烯片的拉伸方向的应变分布：实线是vdW界面非线性模型的解析解；

(d) 在基板上沿着单层石墨烯片的拉伸方向的应变分布：实线是氢键界面非线性模型的解析解；

(e) 双层石墨烯膨胀装置的示意图和表征；

(f) 测量得到的石墨烯-SiO₂和石墨烯-石墨烯界面的剪切应力。

图6 界面附着力

(a) 纵横比与石墨烯（蓝色符号）的基础半径和大块hBN上的单层hBN（红色符号）的关系图；

(b) 在hBN和MoS₂基底上MoS₂气泡的纵横比；

(c) 根据泡罩轮廓估计各种2D材料界面的粘附值。

【小结】

本文中，作者主要综述了2D材料中面内和面外变形的最新实验成果以及2D材料-基底界面在控制这些变形中关键作用的实验表征。通过利用2D材料的变形和应变的确定性控制，基础物理学和激动人心的应用得以出现。此外，还讨论了这个跨学科领域当前所面临的挑战和潜在机遇，以助于物理、材料科学和力学的进一步研究。然而，2D材料是否能够以规模化、可靠和经济高效的方式被用作下一代半导体以及是否可以获得像硅一样的巨大成功，都还有待时间验证。

文献链接：Strain Engineering of 2D Materials: Issues and Opportunities at the Interface (Adv. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adma.201805417

本文由材料人生物学术组biotech供稿，材料牛审核整理。

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