清華大學清華-伯克利深圳學院劉碧錄團隊Adv. Funct. Mater.: 新型二維材料Bi2O2Se的力學性質

【引言】

新型二維半導體材料Bi₂O₂Se具有窄帶隙，高電子遷移率和良好的空氣穩定性等優良物理性質，在超寬帶響應、高開關比、高探測度光電探測器以及高速低能耗憶阻器等高性能器件中顯示出巨大的應用前景。另外，已有研究嘗試制備基于二維Bi₂O₂Se的柔性光電探測器，這些器件在彎曲應變下仍能保持穩定的工作性能。研究二維材料的力學性質是拓展其在柔性可拉伸電子和光電器件領域應用的重要前提。雖然目前已有研究人員通過理論研究計算二維Bi₂O₂Se的力學性質，但目前為止仍未有在實驗上測得其力學性質的報道，限制了該材料在柔性電子器件領域的進一步發展和應用。關鍵的挑戰在于少層Bi₂O₂Se從生長基底到特定的目標基底的轉移以進行力學性質的測試。因此開發一種可行的新方法以實現具有不同厚度Bi₂O₂Se的轉移并測量其力學性質是使其在柔性電子和力學相關器件中得以廣泛應用的關鍵。

【成果簡介】

近日，清華大學清華-伯克利深圳學院（TBSI）劉碧錄團隊在實驗上實現新型二維半導體材料Bi₂O₂Se力學性質的測量。該團隊開發了一種以PDMS為介質的轉移方法，將少層Bi₂O₂Se成功轉移到目標基底上。PDMS介導轉移方法是基于PDMS的輔助將少層Bi₂O₂Se直接從云母襯底上分離，并轉移到不同的目標基底，如具有周期性微孔陣列的MEMS?SiO₂/Si基底上。該轉移方法依賴于PDMS的高粘合力和柔性，可以得到高保真度且具有不同厚度的懸空少層Bi₂O₂Se，包括低至3.2 nm（5層）的薄片。隨后，研究人員使用AFM納米壓痕法對懸空少層Bi₂O₂Se的力學性質進行測量。實驗結果表明，少層Bi₂O₂Se在二維半導體材料中具有較高的本征硬度，其值在18-23 GPa范圍內。而少層Bi₂O₂Se的楊氏模量為88.7±14.4 GPa，且不隨著其厚度的變化而變化。另外，二維Bi₂O₂Se可抵抗高達3％以上的徑向應變，證明其具有良好的柔性。該研究首次報道了新型二維半導體Bi₂O₂Se力學性質的實驗測量值，并為其在可穿戴柔性電子和光電器件領域應用的研究和探索奠定了基礎。研究成果以“High-Fidelity Transfer of 2D Bi₂O₂Se and Its Mechanical?Properties”為題，發表于Advanced?Functional?Materials。

該論文共同第一作者為清華大學清華-伯克利深圳學院（TBSI）陳文駿博士和Usman?Khan博士，論文通訊作者為劉碧錄副教授，論文作者還包括馮思敏博士，丁寶福博士和徐曉敏助理教授。該研究由中國博士后科學基金會，國家自然科學基金委，深圳市經信委、科創委和發改委等部門支持。

【圖文導讀】

圖1.?PDMS介導法與PMMA輔助法轉移二維Bi₂O₂Se的對比

圖2.?PDMS介導法轉移二維Bi₂O₂Se后的結構形貌表征

圖3.?具有不同厚度二維Bi₂O₂Se的AFM納米壓痕測試及彈性響應

圖4.?二維Bi₂O₂Se的力學性質

原文鏈接：

High-Fidelity Transfer of 2D Bi₂O₂Se and Its Mechanical Properties,?Adv. Funct. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adfm.202004960

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202004960

本文由作者團隊供稿。