Что такое Strain Engineering?

Технология растяжения стала краеугольным камнем для изменения свойств двумерных (2D) материалов. Эта техника включает применение контролируемой механической деформации, такой как растяжение, сжатие, изгиб или скручивание, к атомной решетке материала. В сыпучих материалах деформация обычно вызывает ограниченные изменения из-за их трехмерной структуры, но в 2D-материалах эффект глубок, потому что весь атомный слой может быть равномерно деформирован. Возможность настраивать электронные, оптические и механические свойства через деформацию открывает новые возможности для проектирования передовых устройств.

Фундаментальный принцип, лежащий в основе разработки штаммов, заключается в изменении межатомных расстояний и углов связи в кристаллической решетке. Когда 2D-материал, такой как графен или дисульфид молибдена (MoS2) растягивается или сжимается, перекрытие электронных орбиталей изменяется, непосредственно влияя на структуру полосы. Это, в свою очередь, модулирует электронные свойства материала, такие как пропускная способность, эффективная масса и подвижность носителя. Штамм может применяться одноосно (в одном направлении), двуосно (в двух перпендикулярных направлениях) или гидростатически (однородно во всех направлениях), каждый из которых дает различные эффекты на электронное поведение.

Практические методы применения деформации включают изгиб подложек гибкими полимерами, использование наконечников атомно-силового микроскопа (АФМ) для создания локальных деформаций, перенос материалов на предварительно натянутые эластомерные подложки и индуцирование несоответствий теплового расширения. Например, помещая графен на растянутую полимерную пленку и затем высвобождая деформацию, исследователи могут достичь управляемого биаксиального сжатия. Эти методы позволяют точно контролировать величину и направление деформации, что необходимо для воспроизводимых экспериментов и изготовления устройства.

Виды напряжения в 2D материалах

Штамм можно классифицировать на основе его направленности и однородности. Одноосевой штамм включает деформацию вдоль одной оси, обычно используемую для изучения анизотропных реакций. Биаксиальный штамм применяет равную деформацию в двух направлениях, часто используется для настройки изотропных свойств в таких материалах, как MoS2. Гидростатический штамм встречается редко в 2D-материалах из-за их 2D-природы, но может быть аппроксимирован через клетки давления. Локальный штамм может быть индуцирован с использованием наноразмерных индентеров или узорчатых субстратов, что позволяет пространственную модуляцию свойств для таких приложений, как растягиваемая электроника и датчики.

Влияние напряжения на электрические свойства

Влияние деформации на электрические свойства 2D-материалов является как универсальным, так и значительным. В зависимости от материала и типа деформации изменения могут включать настройку полосы пропускания, модификацию подвижности носителя, фазовые переходы и появление новых явлений, таких как сверхпроводимость или пьезоэлектричество. Понимание этих эффектов имеет решающее значение для проектирования деформированных устройств.

Bandgap настройка

Одним из наиболее изученных эффектов является модификация электронного бандажа. В монослойных дихалкогенидах переходных металлов (ТМД), таких как MoS2 и WS2, растяжение уменьшает прямое бандагап в точке K, что в конечном итоге приводит к переходу от полупроводникового к металлу при высоких штаммах. Например, MoS2 испытывает снижение бандагапа от примерно 1,9 эВ до почти нуля при 10-15% биаксиальном растяжении деформации . И наоборот, сжимающий деформатор может увеличить бандагап в некоторых материалах. Эта настраиваемость имеет решающее значение для оптоэлектроники, где бандагап определяет поглощение и длину волны излучения. В графене, который имеет нулевой бандагап, деформация может открыть небольшой бандагап в нанолентах или через специфические деформации решетки, хотя эффект менее выражен, чем в TMDs.

Теоретические расчеты с использованием теории функционала плотности (DFT) с высокой точностью предсказали эти изменения полосового разрыва. Например, ранняя работа Lu et al. (2012) показала, что биаксиальный штамм в MoS2 может уменьшать полосовой разрыв линейно. Экспериментальные методы, такие как фотолюминесцентная спектроскопия, подтвердили эти прогнозы, демонстрируя пиковые сдвиги, соответствующие изменениям полосового разрыва. Эта способность контролировать полосовой разрыв через штамм предлагает путь для создания 2D-материалов с специально разработанными электронными свойствами без химического допинга.

Перевозчик мобильности и проводимости

Штамм также влияет на подвижность носителей и общую проводимость. В целом растяжение штамма увеличивает константу решётки, что уменьшает рассеивание фононов и может повысить подвижность носителей в некоторых материалах. Например, , напряжённый графен показал улучшение подвижности до 30% при одноосном напряжении из-за снижения электронно-фононной связи. Однако чрезмерное напряжение может вносить дефекты или рябь структуры, которые ухудшают проводимость. В TMD эффект более сложен: в то время как растяжение деформации часто увеличивает подвижность в материалах n-типа, таких как MoS2, оно может уменьшить подвижность в материалах p-типа, таких как WSe2, из-за изменения эффективной массы и скорости рассеяния.

Точный контроль мобильности носителей необходим для высокопроизводительных транзисторов и датчиков. Стройная инженерия позволяет оптимизировать производительность устройства без изменения химического состава, делая его чистым и обратимым методом. Например, датчики деформации на основе графена и TMDs показывают линейное изменение сопротивления с приложенным деформацией, что позволяет высокочувствительно обнаруживать механическую деформацию.

Переходы к фазе и новые электронные государства

Поезд может индуцировать фазовые переходы между различными электронными фазами, такими как от полупроводникового к металлическому или даже к топологическому изоляционному состоянию. В MoTe2 было показано, что растягивающий штамм приводит к переходу от гексагональной фазы 2H (полупроводниковой) к моноклинической фазе 1T' (металлической). Это сопровождается изменениями проводимости и оптических свойств. Аналогично, в черном фосфоре штамм может модифицировать анизотропию полосовой структуры, приводя к переходам между прямыми и косвенными бандгапами.

Помимо фазовых переходов, штамм может стабилизировать экзотические состояния, такие как волны плотности заряда или сверхпроводимость. В NbSe2, например, одноосный штамм использовался для повышения критической температуры сверхпроводимости. Эти открытия подчеркивают потенциал деформации для разблокировки новых физических явлений, которые могут быть использованы в квантовых устройствах и нейроморфных вычислениях.

Пьезоэлектрические и флексоэлектрические эффекты

В нецентросимметричных 2D-материалах, таких как h-BN и Janus TMDs, деформация может индуцировать пьезоэлектричество и флексоэлектричество. При напряжённости 2D-материала разделение положительных и отрицательных зарядовых центров генерирует электрическое поле. Этот эффект может быть использован для сбора энергии, приводов и датчиков. Например, монослои h-BN демонстрируют сильные пьезоэлектрические коэффициенты, сравнимые с объемными пьезоэлектрическими материалами, что делает их пригодными для наноразмерных генераторов. Флексоэлектричество, возникающее из градиентов деформации, более выражено в 2D-материалах из-за их высокого соотношения поверхности к объему и может быть использовано для сверхчувствительных деформационных датчиков.

Эти пьезоэлектрические и флексоэлектрические эффекты сильно зависят от напряжения, что позволяет активно настраивать электрические реакции. Исследования показали, что применение 1% напряжения к MoS2 может генерировать пьезоэлектрическое напряжение, достаточное для логических применений. Это открывает возможности для самоподдерживающейся гибкой электроники.

Экспериментальные методы применения и характеристики штамма

Для эффективного использования тензоинженерии исследователи разработали набор экспериментальных методик нанесения и характеристики тензообразования на наномасштабе.Выбор метода зависит от материала, желаемой величины тензообразования и требований к устройству.

Методы применения Strain

Субстратный изгиб является одним из наиболее распространенных подходов. 2D материал переносится на гибкий субстрат (например, полиэтилентерефталат или PDMS), который затем механически изгибается или растягивается. Этот метод может производить однородные одноосные или двуосные штаммы, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать расслоения или растрескивания. Пьезоэлектрические стадии обеспечивают точный контроль над штаммом с помощью пьезокристалла для расширения или сжатия, позволяя точно настраивать деформацию. Тепловое растяжение несоответствие включает в себя осаждение 2D-материала на субстрате с другим коэффициентом теплового расширения; при нагревании или охлаждении дифференциальное расширение вызывает деформацию. Этот метод прост, но менее контролируемый для динамических исследований.

Для локального деформирования используется атомный силовой микроскоп (AFM) вмятины. Наконечник AFM отталкивается на 2D-материал, создавая куполообразную деформацию, которая приводит к градиенту деформации. Этот метод идеально подходит для изучения флексоэлектрических эффектов и одноточечной модуляции свойств. Альтернативно, узорчатые субстраты с колоннами или морщинами могут индуцировать периодические профили деформации, полезные для создания суперрешеток и муаровых узоров.

Методы характеристики

Характеризуя штамм и его эффекты, одинаково важно. Рамановская спектроскопия широко используется для измерения деформации в 2D-материалах путем анализа сдвигов в фононных режимах. Например, пики G и 2D в графеновом сдвиге на более низкие частоты при растягивании деформации, с чувствительностью около 20 см−1 на 1% деформации. В TMD режимы A1g и E2g показывают аналогичные сдвиги, что позволяет проводить количественное картирование деформации. Фотолюминесценция (PL) спектроскопия обеспечивает прямую информацию об изменениях полосового разрыва путем мониторинга пиков экситонового излучения. Синий или красный сдвиг в PL указывает на настройку деформации полосового разрыва.

Атомная силовая микроскопия (AFM) и сканирующая туннельная микроскопия (STM) предлагают топографическую и электронную характеристику на атомном уровне. STM может обнаруживать изменения плотности состояний вблизи уровня Ферми из-за деформации, в то время как AFM измеряет механическую деформацию. Транспортные измерения с использованием установок с четырьмя зондами или эффектом Холла выявляют изменения проводимости и подвижности носителей. Объединение этих методов позволяет всесторонне понять влияние деформации на электрические свойства.

Применение Strain Engineering

Возможность настраивать электрические свойства через деформацию привела к широкому спектру применений в электронике, оптоэлектронике, сенсорных и энергетических устройствах.Стреновая инженерия особенно привлекательна для гибких и носимых технологий из-за механической прочности 2D-материалов.

Гибкая и растяжимая электроника

Одно из наиболее перспективных применений — гибкая электроника. Стрен-инженерные транзисторы на основе MoS2 и графена могут поддерживать высокую производительность при изгибе или растяжении. Например, транзисторы MoS2 на гибких полиимидных подложках не демонстрируют значительного ухудшения после 1000 циклов изгиба, при этом подвижность носителей увеличивается до 10% при растяжении до 2%. Это делает их идеальными для носимых мониторов здоровья и гибких дисплеев.

Сенсоры напряжения являются еще одним ключевым применением. Сопротивление 2D-материалов, таких как графен, изменяется линейно с приложенным напряжением, что позволяет использовать высокочувствительные и быстро реагирующие механические датчики. Используя шаблонные профили деформации, эти датчики могут обнаруживать минутные движения, такие как частота импульсов или дыхание. Кроме того, пьезоэлектрический эффект в напряжённых TMD позволяет использовать самоподпитываемые датчики, которые генерируют электрические сигналы от механической деформации.

Оптоэлектроника и фотоника

Технология растяжения неоценима для оптоэлектронных устройств, таких как светоизлучающие диоды (LED) и фотоприемники. Настраивая полосу пропускания, исследователи могут контролировать длину волны излучения и поглощения света. Сдержанные фотоприемники MoS2 показали повышенную чувствительность и расширенный спектральный диапазон по сравнению с ненапряженными. Например, применение 5% растяжения сдвигает фотоответ от видимых до ближних инфракрасных длин волн, что позволяет обнаруживать широкополосную связь.

В светодиодах деформация может повышать квантовую эффективность за счет снижения нерадиационной рекомбинации. Настройка цвета через деформацию была продемонстрирована в светодиодах WSe2, где цвета излучения меняются от красного к зеленому с переменным деформацией. Это позволяет создавать настраиваемые по деформации источники света для дисплеев и оптической связи.

Квантовые технологии

Строй-инжиниринг играет решающую роль в квантовых технологиях, особенно в создании и манипулировании однофотонными излучателями и спиновыми кубитами. Наведенные напряжением квантовые точки в 2D-материалах, таких как h-BN и WSe2, могут излучать одиночные фотоны при комнатной температуре, которые необходимы для квантовой криптографии и вычислений. Применяя локальный штамм с помощью советов AFM, исследователи могут контролировать энергию излучения и поляризацию этих квантовых излучателей.

Кроме того, деформация может соединяться со спиновыми состояниями в таких материалах, как алмазные NV-центры и 2D-магниты. Эта связка с спином позволяет контролировать состояния кубита посредством механической деформации, открывая возможности для квантового зондирования и обработки информации. Например, спин одного дефекта в h-BN может быть считан через изменения флуоресценции, вызванные деформацией.

Уборка и хранение энергии

Пьезоэлектрические и трибоэлектрические энергоуборочные машины на основе напряжённых 2D-материалов могут преобразовывать механическую энергию в электричество.Устройства, использующие MoS2 или h-BN, продемонстрировали выходную мощность до 10 мВт/см2, пригодную для электроники малой мощности. Стрен-моторные батареи получают выгоду от улучшенных электрохимических свойств; например, напряжённые электроды MoS2 в литий-ионных батареях демонстрируют улучшенную диффузию ионов и удержание емкости из-за увеличения межслойного интервала и образования дефектов.

Пьезоэлектрические наногенераторы с использованием напряжённых 2D-материалов особенно перспективны для имплантируемых устройств, поскольку они могут собирать энергию от движений тела без внешних источников питания.Сочетание высокой гибкости и сильного пьезореспона делает эти материалы идеальными для носимых энергетических систем следующего поколения.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на значительный прогресс, необходимо решить несколько задач для реализации полного потенциала тензоинженерии в практических приложениях. Одним из основных препятствий является точный контроль деформации на наноуровне на больших площадях. Современные методы часто производят неравномерное деформирование или повреждают материал во время применения. Например, изгиб подложки может вызывать морщины или трещины, особенно в хрупких 2D-материалах, таких как черный фосфор. Разработка надежных и масштабируемых методов для применения деформации имеет важное значение для коммерциализации.

Другая проблема заключается в стабильности материала при устойчивой деформации. Некоторые 2D-материалы со временем разрушаются из-за окисления или усталости, особенно в условиях окружающей среды. Методы инкапсуляции с использованием h-BN или органических спейсеров могут улучшить стабильность, но они могут ввести дополнительную деформацию или ухудшить производительность устройства. Кроме того, взаимодействие между деформацией и другими факторами, такими как температура, допинг и эффекты субстрата, усложняет конструкцию устройства.

Будущие направления исследований включают изучение штамма в гетероструктурах и муаровых суперрешетках. Объединив два 2D-материала с небольшим несоответствием решетки или ротационным несоответствием, штамм может создавать муаровые паттерны, в которых размещаются квантовые явления, такие как сверхпроводимость и коррелированные изоляторы. Машинное обучение и искусственный интеллект используются для прогнозирования изменений свойств, вызванных штаммом, и оптимизации экспериментальных условий. Например, нейронные сети могут быстро оценивать тысячи конфигураций штамма для выявления наиболее перспективных электронных свойств для конкретных приложений.

Интеграция с аддитивным производством и 3D-печатью может позволить изготовить сложные структуры, спроектированные с использованием деформаций, для гибкой электроники и робототехники. Кроме того, изучение новых 2D-материалов, таких как Mxenes и 2D перовскиты, может выявить новые реакции на деформацию. Эти материалы предлагают настраиваемые полосы пропускания и высокую подвижность носителей, а их свойства деформации по-прежнему в значительной степени не изучены.

Разработка инструментов характеристики in-situ , которые сочетают применение деформации с электрическими и оптическими измерениями в режиме реального времени, ускорит исследования. Например, объединение рамановской спектроскопии со стадией изгиба позволяет в реальном времени контролировать эффекты деформации во время работы устройства. Передовые методы, такие как in-situ трансмиссионная электронная микроскопия (TEM) , могут отображать структурные изменения атомного масштаба под напряжением, обеспечивая понимание динамики дефектов и фазовых переходов.

В долгосрочной перспективе, тензоинженерия может позволить создание адаптивных электронных систем, которые реагируют на механические стимулы, такие как умная кожа для робототехники или биомедицинских имплантатов. Эти системы будут использовать уникальную способность 2D-материалов проходить обратимое напряжение при сохранении производительности. Слияние тензоинженерии с другими методами настройки - такими как электрические поля, магнитные поля и химический допинг - еще больше расширит пространство параметров для оптимизации устройства.

Для дальнейшего чтения изучите эти ресурсы по деформации в 2D-материалах: Nature Reviews Materials: Strain Engineering of 2D-материалов предоставляет полный обзор. ACS Nano: Strain-Tunable Electronic Properties of MoS2 охватывает экспериментальные и теоретические идеи. Наука: Strain-Induced Piezoelectricity in Monolayer TMDs обсуждает пьезоэлектрические эффекты. Кроме того, Nature Communications: Strain Engineering of Quantum Emitters in h-BN исследует квантовые приложения.

В заключение, тензоинженерия — мощный, универсальный инструмент, который резко расширил возможности 2D-материалов для электроники, оптоэлектроники, квантовых технологий и энергетических устройств. Точно контролируя деформацию атомных слоев, исследователи могут настраивать электрические свойства с беспрецедентной гибкостью, позволяя небольшим высокопроизводительным устройствам, которые могут соответствовать, изгибаться и адаптироваться. По мере того, как методы применения и характеристики деформации продолжают улучшаться, и по мере появления новых 2D-материалов, тензоинженерия, несомненно, будет играть центральную роль в следующем поколении нанотехнологий и гибкой электроники.