二维材料的应变工程研究

应变工程通常指一类半导体加工工艺，旨在通过力学拉伸或压缩应变来提高器件的性能，例如控制晶体管沟道中的应变可以增强电子迁移率（或空穴迁移率），从而优化沟道的电学性能。许多微处理器制造商如AMD、IBM和Intel已经报道利用应变工程在亚130纳米技术中的使用。现如今，应变工程已经作为一种成熟的工艺技术应用于我们身边形形色色的电子器件中。

相比于由硅、锗、铟、镓、砷等制成的半导体晶体管而言，基于过渡金属硫硒族化合物的二维半导体材料可以使晶体管尺寸进一步缩小，在一定程度上促进二维材料半导体器件研究的发展。相比于传统半导体工业中的应变工程，二维材料原子级厚度特征使其应变工程更为有趣：

（1）二维材料有着更强的变形能力。不少实验研究已经表明二维材料（如石墨烯、二硫化钼等）有着远高于其宏观块体和传统硅的断裂应变，更有趣的是缺陷甚至可以进一步提升二维材料的断裂应变。

（2）二维材料有着更多样的变形方式。传统的应变工程是通过面内的外延生长来施加百分之一量级的残余或预应变。二维材料不仅可以沿用传统的面内变形方式，其原子级厚度特征允许大曲率，也可设计多种多样的面外变形方式，如上图所示。

（3）二维材料中变形-物理耦合更加密切。二维材料的物理性质依赖其晶格结构，而只有原子级厚度的晶格结构本质上可以由应变来调控。利用二维材料应变以及应变梯度来实现可“设计”的物理性质（如赝磁场等）也是目前的研究热点。最近，针对二维材料的各类加载方式（如上图）陆续地报道。然而，目前的力学加载产生的应变无论是在量级（magnitude）还是分布（distribution）上远没有达到理论预期。国家纳米科学中心团队的戴兆贺、刘璐琪、张忠研究员首次对二维材料应变工程的变形方式进行分类，并提出二维材料与衬底的界面是应变工程设计中的关键问题，这些讨论以进展报告的形式发表在Advanced Materials 上。

该工作总结出可以利用外延生长中的晶格失配、与衬底的热膨胀系数失配以及衬底的直接变形实现对二维材料面内拉伸/压缩的加载。此外，二维材料在面外受力或承受压缩应变时，通常会产生面外变形。具体地讲，（a）利用晶格失配、热膨胀系数失配以及衬底的压缩等来产生基于二维材料的wrinkles（褶皱）和buckle delamination（脱粘失稳）。这类变形往往是释放面内应变的过程，最终应变主要集中在大弯曲曲率处。（b）利用压力、集中力等在面外方向加载二维材料，这类变形较为可控且能够产生较大的应变。如实验中二硫化钼应变可高达5.6%。（c）利用衬底的表面形貌设计。原子级厚度特征赋予二维材料易于转移并贴附在图案化衬底表面。这类变形方式具有可设计性，除了可应用在半导体领域外，在应变诱导的表面催化中也发挥重要作用。现在的研究进展朝着多模式加载方式，以最大程度地利用应变-物性间的耦合关系。

此外，该工作指出上述变形模式下应变大小与二维材料及衬底间界面力学行为相关，特别是界面粘附与界面摩擦行为。文章概述了面内和面外两种变形模式下，关键界面力学参量的实验测试方法，分析了如何通过界面粘附和摩擦估算应变大小及分布。文章最后指出二维材料在应变工程应用中将受到弱界面作用力的制约，二维材料在纳米以及亚纳米尺度下局域的变形行为均需要对二维材料范德华作用力这一基础问题进行更深入的研究。该文章将对二维材料应变工程的设计具有直接的指导意义。

该论文作者为：Zhaohe Dai, Luqi Liu, Zhong Zhang

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Strain Engineering of 2D Materials: Issues and Opportunities at the Interface

Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201805417

导师介绍

刘璐琪

https://www.x-mol.com/university/faculty/23192

张忠

https://www.x-mol.com/university/faculty/23164