北京航空航天大学杨圣雪副教授InfoMat综述：二维材料应变工程——方法、性质和应用

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自2004年石墨烯被发现以来，二维材料由于具有优异的光学、电学以及热学性能引起了人们广泛的研究兴趣。与块体材料相比，二维材料具有超高的载流子迁移率、可调的能带结构、良好的机械性能等特性，在光电器件、柔性传感器、可穿戴器件等领域具有独特的优势。近年来，为扩大二维材料的应用领域，研究人员通过掺杂、合金化、形成范德瓦尔斯异质结、应变工程等手段实现了对二维材料物理性质的进一步调控。研究表明，应变工程可以显著改变二维材料的晶格结构和电子结构，是一种高效调控二维材料物理性质的技术。

应变工程在传统的半导体工业中已经得到了广泛的研究与应用。比如，当对硅晶体管沟道施加拉伸或压缩应力时，其电子（空穴）迁移率大大增加。但由于块体单晶材料只能承受很小的应力，大大限制了应变调控的进一步应用。与块体材料相比，二维材料具有更强的变形能力，能够承受较大的弹性应变而不发生断裂，在应变工程中具有很大的潜力；另外，由于二维材料原子级的厚度，使其可以面内变形或面外变形，因此产生多种多样的施加应变的方式；同时，二维材料对应变更加敏感，即使很小的应变也能使晶格发生明显畸变，从而实现对其物理性质的更加有效的调控。因此，二维材料的应变工程有着广阔的研究前景与潜力。

基于此，北京航空航天大学杨圣雪副教授等人详细综述了目前二维材料应变工程在应变诱导、性质调控、潜在应用等方面的研究进展。首先概述了二维材料中诱导应变的方法，包括晶格失配、衬底作用（柔性衬底、图案化衬底、压电衬底）、原子力显微镜针尖作用及形成气泡等，并讨论了各种诱导方法的优缺点；然后介绍了应变对二维材料物理性质的调控，如声子模量、能带结构、载流子迁移率、压阻效应、压电效应、磁学性质及相变行为；同时穿插介绍了应变二维材料中应变的监测及表征方法，包括扫描隧道显微镜、高分辨透射电镜、拉曼光谱、光致发光光谱、二次谐波产生及三次谐波产生；最后，阐述了应变二维材料在柔性应变传感器、光电探测器件方面的潜在应用，并进一步展望了其在实际应用中的挑战。

该工作在InfoMat上以题为“Strain engineering of two-dimensional materials: methods, properties, and applications”在线发表（DOI: 10.1002/inf2.12177）。 

我们摘取了文章里的几部分重点给大家做介绍：

1、诱导应变的方法

1.1、利用柔性衬底诱导应变

① 选择与二维材料弹性模量不匹配的柔性衬底。如图1(A)和(B)所示，将二维材料转移到预拉伸或预弯曲的PDMS柔性衬底上，释放预应变后，由于二维材料与PDMS的弹性模量不同，导致二维材料在预应变方向上发生屈曲诱导分层，形成周期性褶皱，从而诱导产生局部不均匀应变。

② 选择热膨胀系数不同于二维材料的衬底。如图1(C)和(D)所示，由于温度变化时衬底与二维材料之间的膨胀和收缩程度不同，故在化学气相沉积或外延生长的合成过程中以及局部加热条件时，二维材料会产生应变。另外，如图1(E)和(F)所示，通过对柔性衬底两端固定或使其自由收缩，可以控制二维材料中应变的类型（单轴应变和双轴应变）。

③ 弯曲柔性衬底。通过外力弯曲具有高杨氏模量的柔性衬底，可以直接诱导衬底上的二维材料产生应变。如图1(G)-(I)所示，通过两点或四点弯曲装置控制柔性衬底向上或向下弯曲，从而向二维材料中诱导拉伸或压缩应变，分别对应于正或负的应变值。

图1 利用柔性衬底在二维材料中诱导应变

1.2、利用图案化衬底诱导应变

将二维材料转移到图案化的衬底上，由于图案化衬底表面存在起伏，故可以诱导二维材料产生应变。通过离子束溅射、光刻、电子束刻蚀等方法可以修饰刚性衬底的表面，进而得到具有周期性波纹、纳米锥或纳米柱结构表面的图案化衬底，如图2(A)-(D)所示；另外，可以通过纳米自组装的方法在衬底上形成一维半导体纳米结构阵列，实现衬底的纳米图案化，并诱导二维材料产生周期性非均匀应变，如图1(E)和(F)所示；此外，柔性衬底也可以通过一定的方式进行图案化（如图(G)所示），与图案化刚性衬底相比，柔性衬底具有更好的延展性，在柔性电子器件中显示出更良好的应用前景。

图2 图案化衬底诱导应变示意图

1.3、利用原子力显微镜针尖或气泡诱导应变

原子力显微镜（AFM）是表征二维材料的重要工具。高分辨率的AFM不仅可以准确地获得二维材料的表面形貌信息，还可以通过针尖与样品的直接接触向二维材料施加z轴压力，使二维材料产生局部变形，进而诱导应变，如图3(A)-(C)所示。

由于二维材料和衬底之间存在范德瓦尔斯力，二维材料转移至衬底上的过程中，吸附的水和碳氢化合物将聚集在一起，从而在界面处产生气泡。气泡会引起二维材料的表面波动，进而在气泡处引起二维材料的应变，如图3(D)-(F)所示；另外，调整二维材料的内部和外部压力差（例如将气体吹入微腔）也可以在界面处产生气泡从而诱导应变，如图3(G)-(I)所示。

图3 利用原子力显微镜针尖或气泡诱导应变

2、应变对二维材料性质的调控

2.1声子模量及带隙的调控

应变可以直接改变二维材料的声子结构，导致拉曼峰的位移或劈裂，如图4(A)-(D)所示。一般来说，拉伸应变使声子模量软化，而压缩应变则相反；与面内振动峰相比，面外振动模式的拉曼峰对平面外应变的响应更加不敏感；而对于各向异性二维材料，沿不同方向的单轴应变对拉曼峰的影响不同。

应变显著改变二维材料的电子结构，从而增大或减小带隙（如图4(E)所示）；应变使某些二维材料从间接带隙转变为直接带隙结构，极大地提高发光效率，在光电器件方面有更好的应用前景；对于褶皱或气泡引起的非均匀应变，与非应变区相比，二维材料应变区具有更好的光致发光性能，如图4(F)所示。

图4 应变对二维材料声子模量及带隙的调控

2.2 电学性质的调控

适当的应变值可增大二维材料的载流子迁移率，改善场效应晶体管的性能，而有时应变则使载流子迁移率减小。另外，沿不同方向施加应变可以实现对载流子流动方向的调控。应变二维材料中会出现压电效应和压阻效应。压阻效应主要改变二维材料的带隙，实现对器件电输运性能的调控；压电效应则由于产生压电电荷，影响二维材料中电荷的分布，调控界面肖特基势垒，进而改变器件的光电性能。

图5 应变对二维材料电学性质的调控

2.3、磁学性质的调控

二维磁性材料的出现为新型自旋电子器件提供了新的思路，应变被证明是诱导和调控二维材料磁性能的一种有效的方法。一方面，对于本征二维磁体，应变可以调控其居里温度、磁各向异性、磁交换耦合等各种磁性质；另一方面，应变可以诱导某些非磁性二维材料产生磁性，如非均匀应变二维过渡金属硫族化物的褶皱等。另外，应变结合掺杂的方式能实现对二维材料磁性质的更大范围及更加有效的调控。

图6 应变对二维材料磁学性质的调控

3、应变工程在柔性应变传感器上的应用

基于二维材料的柔性应变传感器因其可穿戴、重量轻、高灵活性、高灵敏度等特点，受到了人们广泛的关注和研究。大多数应变传感器都是基于二维材料的压阻效应。应变灵敏度因子是应变传感器的关键参数，灵敏度因子越大，说明很小的应变就可以引起较大的电阻变化，即应变传感器的灵敏度越高。由于石墨烯的零带隙特征，且其带隙受应变影响较小，导致单晶石墨烯应变传感器灵敏度较低。而将石墨烯制成带状褶皱、多晶石墨烯则会使灵敏度大大提高。另外，其他二维材料应变传感器也显示出了很好的应用前景，比如双层MoS₂灵敏度因子高达224，而对于BP、ReS₂等低对称性二维材料而言，沿不同的晶体取向应变灵敏度不同。此外，应变灵敏度可以通过调节元素比例、施加栅压等多种因素进行调控。基于压电效应的应变传感器也得到了广泛研究，通过应变诱导压电电荷来调控界面肖特基势垒，从而得到较大的应变灵敏度。 

图7 二维材料的应变传感器

4、总结与展望

应变工程作为一种有效调节二维材料晶格结构和电子结构的方法，可以优化其光学、电学、磁学等性质，大大提高其在光电器件、应变传感器件及自旋电子器件等领域的潜在应用价值。但二维材料应变工程仍有很多关键的科学问题和技术问题需要解决。首先，尽管二维材料有很强的变形能力，但实际能达到的应变值却很小，远低于理论值。一个重要的原因是二维材料与衬底的界面相互作用尚不清楚，导致衬底的变形无法有效地将应变转移至二维材料中。第二，应变工程对二维材料某些性质的调控有一定的局限性，很多集中在理论计算层面，在实验中难以实现，应进一步研究二维材料在应变作用下的结构与性能的内在关系，从而在应变调控性能方面取得更多突破。第三，在柔性器件的应用中，由于金属电极与柔性衬底之间的附着力较弱，容易从柔性衬底上脱落，极大地影响器件的稳定性和工作寿命。因此，要更好地实现柔性器件的实际应用，需要进一步改进集成技术。

该工作发表在InfoMat（DOI: 10.1002/inf2.12177）上。

个人简介：

杨圣雪，北京航空航天大学材料科学与工程学院，副教授/博士生导师。主要从事二维材料合成、二维材料异质结的构筑及器件微纳加工、二维材料器件的电学、光学、磁学、光电、传感性质研究等。入选2021年度教育部"长江学者奖励计划"青年学者。已发表SCI论文55篇（第一/通讯作者36篇），其中IF>10的论文10篇，包括ACS Nano/Nano Lett.（4篇），Adv. Mater./Adv. Funct. Mater./Adv. Sci./InfoMat（4篇），Appl. Phys. Rev.（2篇）等，H因子27。获得吉林省自然科学二等奖1项（排名第3）。

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