Strain Engineering nedir?

Strain mühendisliği, iki boyutlu (2D) materyallerin özelliklerini değiştirmek için temel bir yöntem haline geldi. Bu teknik, kontrollü mekanik deformasyonu uygulamak - ya da bükmek - bir malzemenin atom latticesini ayarlamak için temel bir yöntem haline getiriyor.

Elektrik mühendisliğinin arkasındaki temel ilke, atomik mesafeleri ve bağ açılarını kristal lattice içinde değiştirir.Bir 2D materyali grafik veya molybdenum disulfide (MoS2) uygulanmış veya sıkıştırılır, elektron orbitallerinin çakışması, doğrudan etkileyerek, grubun yapısını değiştirir.

Uygulamalı uygulamaları için pratik yöntemler esnek polimerlerle bükme substratları içerir, atomik kuvvet mikroskopu (AFM) fikre sahip olmak için ipuçları, malzemeler önceden eğitilmiş elastomerik substratlara aktarılabilir ve termal genişleme yanlış uyumları azaltın. Örneğin, grafikte bir polimer filmi çizerek ve sonra da susuz bir şekilde serbest bırakmak için araştırmacılar, bu teknikler, yüksek çözünürlükte doğru kontrolü ve kuvvetlendirmeye olanak sağlar.

2D Malzemede Strain Türleri

Strain, yönsüzlük ve üniformasına göre kategorize edilebilir.ETHFLT:0)Uniyel sular[Döneticiler) ile ilgili olarak, genellikle aizotropik cevaplar üzerinde deformasyon içerir.[D) 2D doğası nedeniyle 2D malzemelerde görülür, ancak basınç hücreleri ile ilgili olarak, eksotropik mülkiyet ayarlanabilir.[D)[Düzücükler için kullanılabilir.[D)

Elektrik Özellikleri Üzerine Strain Etkileri

2D materyallerin elektrik özellikleri üzerindeki baskı etkisi hem çok yönlü hem de önemli. Malzeme ve sualtı türüne bağlı olarak, değişiklikler bandgap ayarını, taşıyıcı hareketliliğini, faz geçişlerini içerebilir ve süper iletkenliği veya pastazoelektrik gibi yeni fenomenlerin ortaya çıkmasını sağlar.

Bandgap Tuning

En ince etkilerden biri, elektronik bandgap'un modifikasyonudur. Monokat geçişinde metal dichalcogenides (TMDs) MoS2 ve WS2 gibi, çekme basıncının yüksek sularda yarı iletkenliği azaltır.Örneğin, bazı malzemelerde elektronun etkisi altında, yüksek çözünürlükte bir azalmayı sağlar.

Teorik fonksiyonel teori (DFT) kullanarak teorik hesaplamalar, bu bandgap değişiklikleri yüksek doğrulukla tahmin etti. Örneğin, erken çalışma:0)Lu et al. (2012)), MoS2'de iki boyutlu basıncın doğrusal olarak azaltılabileceği bir rotayı kontrol etmek için, bu tahminleri test etti.

Taşıyıcı Hareketliliği ve Davranışı

Strain ayrıca taşıyıcı hareketliliğini ve genel iletkenliği etkiler. Genel olarak, çekme basıncı azalır, bu da bazı malzemelerde taşıyıcı hareketliliğini artırabilir ve yüklenebilirlik sağlar. Örneğin, [[Ds:0) Etkileyici grafiklerde, MoS2 gibi sık sık sık sık sık sık hareketliliğin artmasını sağlarken, p-fonon darbesi nedeniyle fikrede azalmayı sağlayabilir ve yüklenebilirlik gösteren hataları veya dalgalanan yapılarına göre daha karmaşıktır.

Taşıyıcı hareketliliğin kontrolü yüksek performanslı transistörler ve sensörler için önemlidir. Strain mühendisliği, kimyasal kompozisyonu değiştirmeden cihazın performansının optimizasyonuna olanak sağlar, temiz ve geri dönüşümlü bir yöntem yapın. Örneğin, grafiklere dayanan ve TMD'ler, mekanik deformasyona karşı lineer bir değişiklik gösterir.

Faz Geçişleri ve Yeni Elektronik Devletler

Strain, farklı elektronik aşamalar arasında faz geçişlerini, metalik veya hatta topolojik insulating eyaletlere kadar teşvik edebilir. MoTe2'de, sertlik, oxagonal 2H aşaması (emiconducting) tek başına geçiş yapmak için göstermiştir.

faz geçişlerinin ötesinde, elektriksel dalgalar veya süper iletkenlik gibi egzotik devletler stabilize edebilir. Örneğin, NbSe2, süper iletkenlik kritik sıcaklıklarını artırmak için kullanılmıştır.Bu keşifler, kuantum cihazlar ve nöromorphic hesaplamada kullanabilecek yeni fiziksel fenomenlerin potansiyelini vurgulamaktadır.

Piezoelektrik ve Flexoelektrik Etkileri

Yüzde 2D malzeme, h-BN ve Janus TMD gibi hassas olmayan 2D malzemelerde, elektriksel jeneratörler için kullanılabilir. Örneğin, qD:0) 2D malzeme zayıflandığında, zoelektrikli malzemelerle karşılaştırılabilir, yüksek çözünürlükte bulunan nano-elektrikli malzemeler için kullanılabilir.

Bu pastazoelektrik ve flexoelektrik etkileri son derece gergindir, aktif elektrik yanıtlarının belirlenmesine izin verir. Araştırma, MoS2'ye% 1 su basımının mantık uygulamaları için yeterli bir pastazoelektrik gerilimi oluşturabileceğini göstermiştir.

Strain Uygulama ve Karakterizasyon için Deneysel Teknikler

Mekanik mühendisliği etkin bir şekilde kullanmak için, araştırmacılar nano ölçekli olarak baskı ve karakterizasyon için deneysel tekniklerin bir paketi geliştirdiler. Yöntem seçimi materyale, istenen su miktarına ve cihaz gereksinimlerine bağlıdır.

Strain Application Methods

[FONT=0)Substrate bükme[[DD) en yaygın yaklaşımlardan biridir. A 2D malzeme esnek bir substrata transfer edilir (örneğin, polietilen terephthalate veya PDMS) daha sonra mekanik olarak iyi veya genişletilebilir bir şekilde kontrol edilir.Bu yöntem, düzelme veya düzeltme yöntemi ile transfer edilebilir.

Yerel gerginlik için, [[0)atomik güç mikroskopu (AFM) indentasyon) kullanılır.AFM ipucu, 2D materyali üzerinde aşağı yukarı itilir, bir dome benzeri deformasyon yaratır, bu teknik süperlattik ve moiré modelleri oluşturmak için idealdir.

Karakterizasyon Teknikleri

Şekilleme ve etkileri eşit derecede önemlidir.:0)Raman spektroskopi) 2D malzemelerde şarj edilebilirliği analiz ederek, sayısal olarak deşarj için izin verir.For 0.00ene geçişte hızlanır, yaklaşık 20 cm -1 per susajda yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte.

[Dönetici gücü mikroscopy (AFM)) ve [[Dönetici:2) Tünel mikroskobu ölçümler (STM) [Döneticisel ve elektronik karakterizasyonunu atom ölçeğinde ortaya koyar. STM, bu tekniklerin yakınındaki değişiklikler tespit edebilir, AFM önlemleri mekanik olarak ölçür.[FLT: 5)

Strain Mühendislik Uygulamaları

Elektrik özelliklerini su yoluyla ayarlama yeteneği, elektronik, optoelektronik, algılama ve enerji cihazlarında geniş bir uygulama yelpazesine yol açtı. Strain mühendisliği özellikle 2D materyallerin mekanik sağlamlığı nedeniyle esnek ve giyilebilir teknolojiler için cazip.

Esnek ve genişletilebilir Elektronik

En umut verici uygulamalardan biri esnek elektroniktir.:0)Strain-mükemmel transistörler[Döneticileri)% 10'a kadar yükseltilebilir sağlık monitörleri ve esnek görüntüler altında yüksek performansları koruyabilir. Örneğin, MoS2 transistörleri esnek poliimide substratlar 1000 bükme döngüsünden sonra önemli bir bozulma göstermez, yük taşımacılığında% 10'a kadar gelişmiş taşıyıcı hareketliliği %2'ye kadar yükseltilebilir.

[FONT=0]Strain sensörleri[DD)[D) başka bir anahtar uygulamadır. 2D materyalin sıkıştırılmış USBD'lerin direnci, yüksek hassas ve hızlı şarj edici mekanik sensörleri kullanarak, bu sensörleri kullanarak, dakika hareketlerini hız veya nefes alma gibi algılayabilir. ek olarak, büzücü TMD'lerin direnci, mekanikten elektrik sinyalleri üreten kendi güçlü sensörlerine olanak sağlar.

Optoelektronik ve Fotonikler

Strain mühendisliği, ışık kaynaklı diyotlar (LED) ve fotodetektörler gibi optoelektronik cihazlar için paha biçilmezdir.Örneğin, araştırmacılar ışık emisyonu ve absorpsiyon dalgalarını kontrol edebilir.<0Iqed MoS2 fotodetectors[FLT], genişleyenler için yeniden yapılanma aralığına kıyasla% 5'i kontrol edebilir. Örneğin, fotoresponse ısıtımı kontrol edebilir.

LED'lerde, su basıncı, çeşitli sularla kırmızıdan yeşile kadar olan emisyon renklerini azaltarak kuantum verimliliğini artırabilir.Bu, ekran ve iletişim için kullanılabilir ışık kaynakları yaratılmasına olanak sağlar.

Kuantum Teknolojileri

Strain mühendisliği, kuantum teknolojilerinde önemli bir rol oynar, özellikle de tek foton yayıcıların yaratılması ve spinleri için gerekli olan kuantum uçları ile yerel sustu kuantum dots) ile ilgili olarak 2D malzemelerde h-BN ve WSe2 gibi, kuantum kriptografi ve hesaplama için gerekli olan tek fotonlar yayılabilir.

Ayrıca, suskunma elmas NV merkezleri ve 2D mıknatıslar gibi malzemelerde bölünmüş olabilir. Bu sualtı darbesi, qubit devletlerin mekanik deformasyon yoluyla kontrolünü, kuantum algılama ve bilgi işleme olanaklarını açarak ortaya çıkabilir. Örneğin, h-BN'deki tek bir kusurun spini fluoresli değişikliklerden okunabilir.

Enerji ve Depolama

Piezoelektrik ve triboelektrik enerji hasatçıları, yüksek güç elektroniklerine dayanan elektriksel cihazlara mekanik enerjiyi dönüştürebilirler; örneğin, lityum iyon akülerindeki elektrotlar 10 mW/cm2'ye kadar gelişmiştir, düşük güç elektronikleri için uygundur.

[FONT:0)Piezoelektrik nanojeneratörleri [D) Daha sonra şarj edilen 2D materyali kullanarak, dış güç kaynakları olmadan vücut hareketlerinden enerji elde ettikleri gibi, bu malzemeleri bir sonraki nesil giyilebilir enerji sistemleri için ideal kılar.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

Önemli ilerlemeye rağmen, uygulama sırasında malzemenin tamamının veya çatlakların tam potansiyelinin farkına varmak gerekir.Bir büyük engel, nano ölçekli alanlardan büyük alanlardan kaynaklanan yüksek orandaki basıncın kesin kontrolüdir.Mevcut yöntemler genellikle uygulama sırasında genellikle (FLT:1) için malzeme üretmek için gereklidir.

Başka bir meydan okuma sürekli deformasyon altında malzeme istikrarıdır. Bazı 2D malzemeler zaman içinde oksidasyon veya yorgunluk nedeniyle, özellikle de çevre koşulları.ENFLT:0Encapsulation teknikleri) h-BN veya organik uzayçılar kullanarak stabiliteyi artırabilir, ancak ek bir susa veya degrad cihazı performansı getirebilirler. Ayrıca, sıcaklık, doping ve diğer faktörler arasındaki etkileşim, doping ve substrat etkiler karmaşıktır.

Geleceğin araştırma yolları, heteroyapılarda ve moiré superlattices'te gerginlikleri keşfeder.İki 2D materyali küçük bir lattice yanlış bir şekilde birleştirerek, susamış mülkiyet ve optimizasyon gibi kuantum fenomenleri oluşturabilir.Örneğin, süperkondüktörler ve spesifik uygulamalar için en umut verici elektronik özellikleri tanımlamak için kuantum parametrelerini değerlendirmek için.).

[[D)Üyesel üretim ile ilgili olarak ([DDD) ve 3D baskı, karmaşık su geçirmez yapıların esnek elektronik ve robotik için üretimini mümkün kılar ve Mxenes ve 2D perovskites gibi yeni 2D materyalleri keşfedin, yenilebilir bantgaps ve yüksek taşıyıcı seferberlikler sunabilir ve onların su geçirmez özellikleri hala keşfedilmemiştir.

Örneğin, Raman spektroskopi'nin bir bükme aşamasıyla birlikte, gerçek zamanlı olarak, cihaz işlemi sırasındaki gerilim etkilerini takip etmesi için, gerçek zamanlı olarak yapılan elektrik ve optik ölçümlerle birlikte, mikropartiküller ile birlikte, koordinatörlüğüne ve faz geçişlerine ilişkin ayrıntılı olarak yapılan değişikliklerle birlikte, gerçek zamanlı olarak yapılan değişikliklerle ilgili olarak, sayısal ve optik ölçümler ilerleyici değişikliklerle ilgili olarak, sayısal ve optik değişikliklerle ilgili olarak, sayısal ve faz geçişleri sağlar.

Uzun vadede, elektriksel implantlar veya biyomedikal implantlar için akıllı cilt gibi mekanik uyaranlar için yanıt veren, 2D materyallerin yaratılmasını mümkün kılar.Bu sistemler, performansları korumak için geri dönüşümlü bir elektrik mühendisliğin etkisine yol açar.

Daha fazla okuma için, bu kaynakları 2D malzemelerde devre dışı bırakmak: [D)Doğasal İncelemeler Malzemeler: 2D materyallerin Strain mühendisliği) kapsamlı bir genel bakış sunar. ).ACS Nano: MoS2) Eksi: kuantum iletişiminde kuantum etkileri [FONTD)[B][B][FONT][FONT][FONT][FONT][FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=STRNT=FONT=FONT=FONT=FONT=STRNT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=SQNT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT

Sonuç olarak, mühendislik, atom tabakalarının deformasyonunu tam olarak kontrol ederek, küçük, yüksek performanslı cihazlara uygun olarak genişletilebilecek güçlü, çok yönlü bir araçtır.Uygulama ve karakterizasyon için teknikler gelişmeye devam eder ve yeni 2D malzemeler ortaya çıkararak, elektriksel özellikleri bir sonraki nanoteknoloji ve esnek elektronik ile ayarlar.