國家納米科學中心Adv. Mater.：二維材料的應變工程：界面的問題和機遇

【引言】

2D材料是一種原子級的薄材料，可以很好地用于下一代超薄半導體器件。研究表明，機械應變會強烈擾動2D材料的能帶結構，從而可以通過機械變形來有效調節其電子和光子性。實際上，這種稱為應變工程的原理現在通常用于制造傳統的半導體器件。與傳統電子材料相比，單層原子片本省能夠承受更大的機械應變，而且2D材料的薄度也可以通過彎曲或折疊來誘發更大的局部應變，因而2D材料的應變工程尤其令人興奮。2D材料的這些特殊性使得研究新的基礎物理學和在大應變水平下出現的2D材料的應用創造了機會。

【成果簡介】

近日，國家納米科學中心張忠研究員（通訊作者）和劉璐琪研究員（通訊作者）在Advanced Materials上發表了題為“Strain Engineering of 2D Materials: Issues and Opportunities at the Interface”的綜述文章。在該綜述中，首先對2D材料-基板系統的變形模式進行分類，并總結了最近實現基底支撐2D材料的機械應變的實驗成果。然后，回顧了2D材料-基底界面對面內剪切變形和面外分層的機械響應的最新實驗表征。考慮到該領域研究的跨學科性質，作者最后還對新興2D材料的合成、2D材料中應變的特征化以及機械應變2 D材料的應用等進行了綜合評述。

【圖文導讀】

圖1 面內模式

(a) 由晶格不匹配引起的應變；

(b) 由熱膨脹不匹配引起的應變；

(c) 上圖：通過使支撐基板變形來對2D材料獲得應變的示意圖；下圖：剝離石墨烯的變形順序和2D帶位置的響應。

圖2 平面外模式：褶皺和扣環

(a) 通過壓縮或預拉伸基板引起2D材料的彎曲和皺折的示意圖；

(b) 通過熱膨脹不匹配引起2D材料的彎曲和皺折的示意圖；

(c) 通過晶格不匹配引起2D材料的彎曲和皺折的示意圖；

(d) 彈性基底上的彎曲MoS₂薄片的SEM圖像；

(e) 準三角形單層WS₂的PL強度映射圖像；

(f) 顯示Bi₂Se₃ / Bi₂Te₃異質結每個邊緣處的三個扣環的傾斜視圖SEM圖像；

(g) 皺紋10nm厚的黑磷薄片的光學圖像；

(h) 在銅上的褶皺、六角形石墨烯片的SEM圖像；

(i) 三個單層WS₂/WSe₂超晶格的SEM圖像。

圖3 平面外模式：氣泡和帳篷

(a) 石墨烯氣泡的AFM圖像；

(b) 通過沉積到SiO₂納米柱陣列上形成的石墨烯帳篷的SEM圖像；

(c) 入射在納米氣泡上包含K和K'谷的入射電子波經過相關偽磁場的示意圖；

(d) AFM圖像（右圖）和納米柱戳的WSe₂帳篷的相應峰PL信號圖。

圖4 面外模式：一致的模式

(a) 線條和點的壓痕圖案的AFM圖像；

(b) 在納米錐基底上的應變MoS₂的SEM圖像；

(c) 圖案化基底上石墨烯的SEM圖像：細長金字塔、矩形柱和反向金字塔。

圖5 面內界面行為

(a) 通過懸臂梁對單層石墨烯薄片施加張力的示意圖；

(b) 實驗中的簡化建模：石墨烯/基底系統的單軸拉伸；

(c) 在基板上沿著單層石墨烯片的拉伸方向的應變分布：實線是vdW界面非線性模型的解析解；

(d) 在基板上沿著單層石墨烯片的拉伸方向的應變分布：實線是氫鍵界面非線性模型的解析解；

(e) 雙層石墨烯膨脹裝置的示意圖和表征；

(f) 測量得到的石墨烯-SiO₂和石墨烯-石墨烯界面的剪切應力。

圖6 界面附著力

(a) 縱橫比與石墨烯（藍色符號）的基礎半徑和大塊hBN上的單層hBN（紅色符號）的關系圖；

(b) 在hBN和MoS₂基底上MoS₂氣泡的縱橫比；

(c) 根據泡罩輪廓估計各種2D材料界面的粘附值。

【小結】

本文中，作者主要綜述了2D材料中面內和面外變形的最新實驗成果以及2D材料-基底界面在控制這些變形中關鍵作用的實驗表征。通過利用2D材料的變形和應變的確定性控制，基礎物理學和激動人心的應用得以出現。此外，還討論了這個跨學科領域當前所面臨的挑戰和潛在機遇，以助于物理、材料科學和力學的進一步研究。然而，2D材料是否能夠以規模化、可靠和經濟高效的方式被用作下一代半導體以及是否可以獲得像硅一樣的巨大成功，都還有待時間驗證。

文獻鏈接：Strain Engineering of 2D Materials: Issues and Opportunities at the Interface?(Adv. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adma.201805417

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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