香港城大陆洋《ACS AMI》：二维材料扭转双层的深度弹性应变工程

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   传统的调整材料的性能手段包括合金化、掺杂、缺陷工程以及相变工程等。近年来，弹性应变工程（ESE）已在小应变下被验证为调控晶体材料（包括二维电子材料）物理化学性能的有效手段。与主要基于外延生长的传统应变工程不同，弹性应变工程通过机械加载/卸载可以实现连续和可逆的性能调节， 且弹性应变工程可与传统调控材料性能手段协同作用，实现更可控，更高效，更便捷的材料性能调控。
       日前，香港城市大学陆洋教授在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上发表了题为“Deep Elastic Strain Engineering of 2D Materials and Their Twisted Bilayers”的Spotlight深度展望文章（第一作者： 韩英博士；DOI：10.1021/acsami.1c23431），以二维材料为例，展示了弹性应变工程的调控机制以及巨大潜力。此前，通过开发样品转移、加工和拉伸的方法，陆洋团队与合作者在2020年首次报道通过直接拉伸测试测量了自支撑的单层石墨烯，单层六方氮化硼的工程拉伸强度及弹性拉伸极限（Cao, et al. Nature Communications, 11: 284, 2020；Han, et al. Cell Reports Physical Science 1(8), 100172, 2020），最大应变可达6%，展示了二维材料在深度弹性应变工程中的潜在应用。
       与此同时，近年来魔角超导石墨烯的重要突破，使得通过扭转双层/多层二维材料的“转角电子学”Twistronics成为一个新的研究热点，并有望应用于物理性质调控机制，包括超导。而近期实验上也已证明应变可作为协同调控手段，调控扭转双层石墨烯的超导条件。因此，结合扭转电子学调控策略，该课题组制备了扭转双层石墨烯，初步展示了双层石墨烯极佳的弹性应变性能，最大应变可达5.8%，展示了基于深度弹性应变工程的拉伸电子学Stretronics作为二维材料在电子和光电器件中的协同调控策略所带来的巨大机遇。 
图一：弹性应变工程ESE概念及巨大潜力 (a). 应变硅 (b). 弹性应变工程调控单一材料性能概念图 (c). 基于模拟的金刚石深度应变-能带密度图 (d).近期纳米金刚石的超弹性现象，并理论预测可能出现的金刚石“金属化”。 
图二：二维材料的弹性应变工程应用展示（包括目前普遍采用的应变引入方法，及应变对二维材料物理化学性能的影响） 
图三：二维材料的深度弹性应变工程。(a-c). 单层石墨烯的直接拉伸，应变可达6%；(d-f) 单层六方氮化硼的弹性应变极限及缺陷容忍性；(h). 应变石墨烯中的赝磁场；(i-j). TMDs的力致相变。 
图四：ESE/DESE与扭转电子学协同调制。(a). 扭转双层石墨烯及其band energy与相应的DOS; (b). 应变辅助下的超导扭转双层石墨烯。(c-d). 双层扭转石墨烯的制备，表征，及均匀大应变的实现。 

作者简介

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   香港城市大学陆洋教授课题组主要从事微纳米力学研究，特别是对于低维材料的力学行为及其尺度效应的探索，促进其在微机械/机电系统及先进制造等实际应用。陆老师与合作者在早前的研究中发现了超细金属纳米线的“冷焊”现象以及纳米尺度下硅和金刚石的“超大弹性”，有望应用于创新微电子以及量子器件。他以第一或通讯作者在Science、Nature Nanotechnology、Science Advances、Nature Communications等学术刊物发表文章100余篇，并担任Materials Today、Acta Mechanica Sinica、中国科学: 技术科学等学术期刊的编辑。陆洋教授曾获得香港城市大学2019年度“杰出研究奖（青年学者）” 和2017年度“校长奖”，以及首批国家自然科学基金优秀青年科学基金（港澳）以及香港研究资助局“研资局研究学者”（RFS）项目。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.1c23431

相关进展

香港城市大学陆洋副教授团队和清华大学徐志平教授团队合作《Nat. Commun.》：在单层石墨烯力学性质研究中取得进展

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