מה זה Strain Engineering?

הנדסה סטרין הפכה לדרך אבן הפינה לשינוי המאפיינים של חומרים דו-ממדיים (2D) טכניקה זו כוללת יישום עיוות מכני מבוקר - כגון מתיחה, דחיסה, התכה, או טוויסט - ללחיות האטומית של חומר.בחומרים גדולים, בדרך כלל מעורר שינויים מוגבלים עקב המבנה התלת מימדי שלהם, אך בחומרים 2D, ההשפעה היא עמוקה כי השכבה האטומית כולה יכולה להיות מעודכנת לגוון תכונות אופטיות.

העיקרון הבסיסי מאחורי הנדסה זנים הוא לשנות את המרחקים הבין-אטומיים ואת זוויות האג"ח בתוך הליטקטיבית גבישית.כאשר חומר 2D כמו גרפן או molybdenum disulfide (MoS2) מתוח או דחוס, החפיפה של שינויים במסלולי אלקטרון, השפעה ישירה על מבנה הלהקה.זה, בתורו, מאמת את התכונות האלקטרוניות של החומר כמו pgapgap, יעיל, שני כיוונים אלקטרוליטיים באופן עצמאי (כיוון אחד) יכול להיות מופעל באופן ישיר על כל אחד באופן ישיר על ידי אלקטרוליטי) באופן ישיר על כל התנהגות אלקטרוליטי (כיוון ייחודי).

שיטות מעשיות ליישום זנים כוללות substrates עם פולימרים גמישים, באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) טיפים ליצירת עיוותים מקומיים, העברת חומרים על תת-קרקעיים אלקטרוניים מאומנים מראש, ומניעה של ניגודים התרחבות תרמית. לדוגמה, על ידי הצבת גרפן על סרט פולימר מתוח ולאחר מכן שחרור הזן, החוקרים יכולים להשיג שליטה על סגסוגת אלה.

סוגים של סטרין ב 2D חומרים

(ה) ניתן לסווג על בסיס הכוונת והמדים שלו (FLT:0) ,Uniaxial StressFLT:1 כרוך בעיוות לאורך ציר יחיד, המשמש בדרך כלל כדי ללמוד תגובות aisotropic.FLT:2Biaxial זנים מתוחים ו- 3 ליטרים ניתן לייחס את התכונות של 2DFLT2, אך ניתן ל- 2DR2DFSTR2DR2 ל-R.

השפעות של סטרין על נכסים חשמליים

ההשפעה של זן על התכונות החשמליות של חומרים 2D היא גם תכליתית ומשמעותית.בהתאם לסוג החומרי והזן, שינויים יכולים לכלול כוונון של Bandgap, שינוי ניידות המוביל, מעברי שלב, והופעת תופעות חדשות כמו מוליכות או פשטות.הבנת השפעות אלה היא חיונית לתכנון מכשירים מתוחים.

Bandgap Tuning

אחת ההשפעות המלומדות ביותר היא השינוי של ה-S2 ו- WS2, המתח של מונוקלר מעבר מתכת dichalcogenides (TMDs) כגון MoS2 ו- WS2, Tenile מקטין את ה-Fgap הישיר ב-K-K-point, ובסופו של דבר מוביל למעבר מ-SwitchDolgapene חומרים ספציפיים למתכת בזנים גבוהים.

חישובים תיאורטיים באמצעות תיאוריית פונקציונליות צפיפות (DFT) חזו שינויים אלה של להקות עם דיוק גבוה.לדוגמה, עבודה מוקדמת על ידי FLT:0Lu et al. (2012)FLT:1 הראו כי זן מטבולי במוS2 יכול להפחית את הלהקות דפוסים הכימיים ללא שינוי ליניארי.

ניידות והתנהלות

סטרין גם משפיע על ניידות המוביל ועל מוליכות כללית. באופן כללי, זן רבייה מגביר את קבוע הליטקטיס, אשר מפחית מפונק מתפזר ויכול לשפר את הניידות של ספקים בכמה חומרים.לדוגמה, FLT:0s מתפזר גרפן הראה שיפור ניידות של עד 30% תחת חומרים לא-שיקל 1 עקב הפחתת ההפיכה האלקטרונית-onling עם זאת, עודף יכול להציג את השיפורים או הפגמים מורכבים כמו קצב ניידות, לעתים קרובות יותר.

שליטה מוקדמת של ניידות מוביל היא חיונית עבור טרנזיסטורים ביצועים גבוהים וחיישנים. הנדסת סטרין מאפשר אופטימיזציה של ביצועי המכשיר ללא שינוי ההרכב הכימי, מה שהופך אותו שיטה נקייה וניתוק.לדוגמה, חיישנים המבוססים על גרפן ו- TMDs להראות שינוי ליניארי בהתנגדות עם מתח יישומי, המאפשר זיהוי רגיש מאוד של עיוות מכני.

מעברי שלב וניו אלקטרונים

סטרין יכול לגרום מעברים של שלב בין שלבים אלקטרוניים שונים, כגון ממוליכים למחצה למצבים מתכתיים או אפילו ל insulating טופולוגיים. in MoTe2, זן Tenile הוכח כדי להניע מעבר משלב Hexagonal 2H (שלאוחזק) לשלב מונוקלי 1T (metallic) זה מלווה שינויים בהתנהגות ותכונות אופטיות, בדומה ל-Blackphootus, במבנה של מעבר ישיר בין ה-Blackstras.

מעבר לטרנספורמציות שלב, זן יכול לייצב מצבים אקזוטיים כמו גלי צפיפות מטען או מוליכות על.ב- NbSe2, למשל, זן לא-שיקל שימש כדי לשפר את הטמפרטורה הקריטית של מוליכות על-ידי תגליות אלה מדגישות את הפוטנציאל של הנדסת זנים כדי לפתוח תופעות פיזיות חדשות שניתן לרתום בהתקנים קוונטיים ומחשוב נוירומורפיולוגי.

השפעות פיזיות וגמישות

בחומרים שאינם ריכוזיים 2D כמו h-BN ו Janus TMDs, זנים יכולים לגרום לדימום וגמישות. כאשר חומר 2D מתוח, הפרדת מרכזי מטען חיוביים ושליליים מייצרת שדה חשמלי.אפקט זה יכול לשמש עבור קצירת אנרגיה, פועלים וחיישנים.

השפעות פיזיות וגמפלקסואלקטריות אלה הן מאוד תלויות זן, ומאפשרות כוונון פעיל של תגובות חשמליות.מחקר הראה כי החלת זן 1% ל-MoS2 יכול לייצר מתח אדזואלקטרי מספיק עבור יישומים לוגיים.זה פותח דרכים עבור אלקטרוניקה גמישה מופעלת עצמית.

טכניקות ניסיוניות ל- Strain Application and Characterization

כדי להשתמש ביעילות בהנדסת זנים, החוקרים פיתחו חבילה של טכניקות ניסיוניות ליישום ואפיון זנים ב nanoscale. בחירת השיטה תלויה בחומר, גודל הרצוי, דרישות המכשיר.

שיטות יישום סטרין

(ב) [ה]הרחבה:0 [ב] ⁇ [ה] מבולשת] [ה], היא אחת הגישות הנפוצות ביותר: חומר 2D מועבר למצע גמיש (למשל, פוליאתילן terephthalate או PDMS) אשר לאחר מכן הוא בעל יכולת משיכה מכנית או מתוחה.

לזן המקומי, (FLT:0) מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) indentation FIRLT:1 משמש.AFM טיפ דוחף על חומר 2D, יצירת עיוות דמוי דום אשר מביא לזן ⁇ .טכניקה זו אידיאלית ללימוד אפקטים גמישים ומודולציה רכוש יחיד.

טכניקות אפיון

(השפעתו של זן ואפקטים חשובים באותה מידה.FLT:0Raman spectroscopyoferph:1) משמש נרחב למדידת חומרים 2D על ידי שינויים במצבי phonon.לדוגמה, G ו 2D גובה ב-G ו 2D ב-Gate Shift-D כדי להפחית את התדרים מתחת למתחים, עם רגישות של כ-20-1 ל-DTMD, A2gton (F) מאפשר שינויים דומים ל- ELT) ל- E2gton (F) ל- ELT) או ל- E2gtopton (D).

(ב) [ה]:0 [ה] מיקרוסקופי של כוח אטומי (AFM) , 1:1 ו- scanning Tunneling microscopy (STM)FLT 3 מציע אופי טופוגרפי ואלקטרוני בקנה מידה אטומי STM יכול לזהות שינויים בצפיפות של מדינות ליד רמת פרמי עקב מתח, בעוד AFM צעדים מכניים מנטרלציה 4.

יישומים של Strain Engineering

היכולת לכוון תכונות חשמליות באמצעות זן הובילה למגוון רחב של יישומים באלקטרוניקה, Optoelectronics, רגישה, ותקני אנרגיה. הנדסת סטרין אטרקטיבי במיוחד עבור טכנולוגיות גמישות ולבושות בשל העוצמה המכנית של חומרים 2D.

אלקטרוניקה גמישה ומתיחה

אחת האפליקציות המבטיחות ביותר היא באלקטרוניקה גמישה.FLT:0 ,Strain-engineered TransisteursFLT:1 המבוססת על MoS2 ו גרפן יכול לשמור על ביצועים גבוהים מתחת לכופף או מתיחה.לדוגמה, MoS2 טרנזיסטורים על תת-ידי פולימידי פולימידיד גמישה לא מראה שום השפלה משמעותית לאחר 1,000 מחזורי כפייה, עם ניידות מוגברת עד 10% מתחת לגיל שנתיים מתחת לגיל.

(FLT:0Strainחיישנים של חיישנים ראשיים) הם יישום מפתח נוסף.ההתנגדות של חומרים 2D כמו גרפן משתנה ליניארי עם זנים יישומיים, המאפשר חיישנים מכניים רגישים ומהירים מאוד.על ידי שימוש בפרופילים מתוחים דפוס, חיישנים אלה יכולים לזהות תנועות דקות כמו הדופק או נשימה.בנוסף, ההשפעה ה ⁇ ית במדיטציה מתוחה מאפשרת חיישנים מכניים מופעלים עצמיים שיוצרים אותות חשמליים מעיוות מכני.

Optoelectronics ו Photonics

הנדסה סטרין היא בלתי נסבלת עבור מכשירים אופטיקו-אלקטרוניים כגון דיודות אור-היתר (LEDs) ו photodetectors. על ידי כוונון ה-Sgap, החוקרים יכולים לשלוט באורכי גל של פליטה קלה וקליטה.

ב LEDs, זן יכול להגדיל את היעילות הקוונטית על ידי צמצום של recombination non-radiative. Color-tuning באמצעות זן הוכח ב- WSe2 LEDs, שבו צבעי פליטה משתנים מאדום לירוק עם זנים שונים.זה מאפשר יצירת מקורות אור לא ניתן למתח עבור תצוגות ותקשורת אופטית.

טכנולוגיות קוונטיות

הנדסה סטרין ממלא תפקיד מכריע בטכנולוגיות קוונטיות, במיוחד ביצירת ומניפולציה של פולטים בודדים וספין ספין qubits.FLT:0Strain-המונומנט המושרה הקוונטים dotsFLT:1 בחומרים 2D כגון h-BN ו- WSe2 יכול פולט פוטונים בודדים בטמפרטורת החדר, אשר חיוניים עבור הצפנה קוונטית ומחשוב על ידי החלת מקומית עם AFM, יכול לשלוט על ידי חוקרי אנרגיה קוונטית, ו-AFM.

יתר על כן, זן יכול להיות בין מצבים חומרים כמו מרכזי NV יהלומים ו 2D מגנטים. זה הפיכה זן-spin מאפשר שליטה של מדינות qubit באמצעות עיוות מכני, פתיחת אפשרויות עבור חישה קוונטית עיבוד מידע. לדוגמה, הספין של פגם יחיד ב h-BN ניתן לקרוא באמצעות שינויים מוזנים בשפעת.

אנרגיה קצירת ואחסון

Piezoelectric וטריבואלקטרי אנרגיה קצירים המבוססים על חומרים מתוחים 2D יכול להמיר אנרגיה מכנית לתוך חשמל.מכשירים באמצעות MoS2 או h-BN הוכיחו פלטי חשמל של עד 10 mW / m2, מתאים אלקטרוניקה בעוצמה נמוכה.

(FLT:0)Piezoelectric ננו-מארגן: 1 (Norgenerators) באמצעות חומרים מתוחים 2D הם מבטיחים במיוחד עבור מכשירים מותשים, שכן הם יכולים לקצור אנרגיה מתנועות גוף ללא מקורות חשמל חיצוניים.שילוב של גמישות גבוהה ועומס חזק הופך את החומרים האלה אידיאליים עבור מערכות אנרגיה לבבשות של הדור הבא.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות משמעותית, יש לטפל במספר אתגרים כדי לממש את מלוא הפוטנציאל של הנדסה במתח ביישומים מעשיים.הצד העיקרי הוא השליטה המדויקת של זן ב nanoscale על פני אזורים גדולים.טכניקות הנוכחיות לייצר לעתים קרובות זנים לא חד-ממדיים או להזיק לחומר במהלך היישום. לדוגמה, כיפוף תת-המתח יכול לגרום קמטים או סדקים, במיוחד ב 2D חומרים כמו זרחן שחור מתפתח.

אתגר נוסף הוא יציבות חומרית תחת עיוות מתמשך.חלק מהחומרים 2D מתפוגגים לאורך זמן בשל חמצון או עייפות, במיוחד בתנאים נוחים.FLT:0 טכניקות של רזולוציה של 2D:1 באמצעות h-BN או Spacers אורגני יכול לשפר את היציבות, אבל הם עשויים להציג ביצועים נוספים של מתח או דה-דרגה.

כיוונים עתידיים כוללים חקר זן בHetero Structures ו moiré superlattices. על ידי שילוב שני חומרים 2D עם פיגור קטן או עיוות סיבובי, זן יכול ליצור תבניות moiré המארח תופעות קוונטיות כגון מוליכות סופר ו insulators מתואמת.FLT:0hine Learning and מלאכותי IntelligenceFLTer משמש כדי לחזות את התכונות של תאים אלקטרוניים במהירות.

(FLT:0) אינטגרציה עם ייצור תוספים ייצור של 1D הדפסה יכול לאפשר ייצור של מבנים מורכבים מתוחים-ממריצים עבור אלקטרוניקה גמישה ורובוטיקה.בנוסף, לחקור חומרים חדשים 2D, כגון Mxenes ו 2D perovskites, עשוי לחשוף תגובות מתוחות.חומרים אלה מציעים להקות טונה ו-Moderalities גבוהה, ותכונותיהם עדיין לא נחקרו.

פיתוח של (FLT:0) החלפת כלי אפיון (Situion) 1 (FLT:1) המשלב יישום מתוח עם מדידות חשמליות אופטיות בזמן אמת יזרז את המחקר.לדוגמה, שילוב של Raman spectroscopy עם שלב מתפתל מאפשר ניטור בזמן אמת של השפעות במהלך ניתוח ההתקן.

בטווח הארוך, הנדסה של זנים יכולה לאפשר יצירת מערכות אלקטרוניות ⁇ 1 (0adaptive אלקטרוניקה) להגיב לגירויים מכניים, כגון עור חכם עבור רובוטים או שתלים ביו-רפואיים.מערכות אלה ימנף את היכולת הייחודית של 2D חומרים לעבור מאמץ בלתי הפיך תוך שמירה על ביצועים.

(בקריאה נוספת, לחקור את המשאבים האלה על הנדסה ב 2D חומרים:0) חומרים נושאי טבע: הנדסה סטרין של חומרים 2D חומרים מתקדמים FLT:1 מספק סקירה מקיפה.FLT:2ACS ננו: Strain-Tunable Electronic Properties of MoS2FLT 3: 3 מכסה ניסיוני ותובנות תיאורטיות.

לסיכום, הנדסה זנים היא כלי רב עוצמה, תכליתי אשר הרחיב באופן דרמטי את היכולות של חומרים 2D עבור אלקטרוניקה, Optoelectronics, טכנולוגיות קוונטיות, ומכשירי אנרגיה. על ידי שליטה מדויקת של עיוות של שכבות אטומיות, החוקרים יכולים לכוון תכונות חשמל עם גמישות חסרת תקדים, המאפשר מכשירים קטנים, ביצועים גבוהים שיכולים להתאים, להיות נדרי, ולהתאים.