應變，可改善原子級薄度半導體材料的性能！

導讀

近日，美國康涅狄格大學材料科學研究所的研究人員通過拉伸的方式，顯著提升了原子級薄度的半導體材料的性能。這項研究成果將有利於下一代柔性電子、納米設備和光學感測器的設計。

背景

2004年，英國曼徹斯特大學的教授安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從石墨薄片中剝離出了石墨烯。從那時起，這種潛力巨大的原子級薄度的二維材料，受到科學家們的廣泛關注。非常輕薄、柔性極佳、強度超過鋼鐵、導電性能勝過銅，使得這種「超級材料」極有可能掀起一場席捲全球的新技術新產業革命。石墨烯也使得這兩位科學家成為了諾貝爾獎獲得者。

（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

雖然石墨烯具有眾多卓越性能，應用領域也非常廣闊，例如：柔性電子、高效晶體管、感測器、新材料、電池、超級電容、半導體製造、新能源、通信、太赫茲技術、醫療等等，但是它仍存在一些局限性，例如不適合應用於半導體。因其內部結構中缺少電子帶隙，所以當石墨烯被賦予能量時，電子可暢通無阻地迅速流過它。硅，是如今最佳的半導體材料，它的帶隙相當大，因而能夠「打開」或者「關閉」電子流。在晶體管和集成電路中，二進位計算機代碼都是一連串的0和1，這種「開關」電子流的能力對於實現二進位代碼來說非常關鍵。

目前，材料科學家正進一步探索其他二維材料以及原子級薄度的材料的潛能，希望找到優於石墨烯和硅的材料。

應變工程，一直被作為改善這些材料性能的可能的途徑之一來討論。不同於大塊的三維結構，超薄結構使得材料特別容易受到彎曲和拉伸的影響。但是，對於只有幾個原子厚度的材料，測試應變產生的影響，困難極大。

創新

通過科學探索與創新，巨大的困難也並非不可克服。近日，美國康涅狄格大學材料科學研究所（UConn"s Institute of Materials
Science）的研究人員通過拉伸的方式，顯著提升原子級薄度的半導體材料的性能。這項研究成果將有利於下一代柔性電子、納米設備和光學感測器的設計。

（圖片來源：Peter Morenus / 康涅狄格大學 ）

在一篇發表於學術期刊《納米快報（Nano Letters）》的論文中，康涅狄格大學機械工程系助理教授 Michael Pettes 表示，六個原子厚度的雙層二硒化鎢（tungsten diselenide）在受到應變時，其光致發光性能表現出100倍的增長。這種材料之前從未表現出如此強大的光致發光性能。

位於美國馬里蘭州阿德爾菲的美國陸軍研究實驗室提供了石墨烯薄膜，用於證實康涅狄格大學測量應變所採用的校準標準。美國勞倫斯伯克利國家實驗室 Molecular Foundry 的透射電鏡證實了二硒化鎢雙層的原子級厚度。

技術

Pettes
及其實驗室研究生、論文領導作者 Wei Wu
成功地測量了應變對於單晶雙層二硒化鎢的影響。首先他們將它裝入一薄層丙烯酸玻璃中，然後在氬氣室中加熱它。（樣本暴露於空氣中時會被毀壞）。這種熱處理強化了材料與聚合物基板之間的粘合，近乎完美地轉移了受到的應力。在之前的實驗中，這點一直很難實現。

然後，研究小組定製設計出一個彎曲的設備，以便他們小心地增加材料的應變，同時通過哈佛納米系統中心（美國國家科學基金會贊助的一個共享用戶設施）的 Horiba Multiline 拉曼光譜儀，來監測它是如何響應的。

（圖片來源：康涅狄格大學 ）

這是一個非常激動人心的實驗。Pettes 說：「通過新方法，我們對二維材料施加的應變，比之前報道的研究幾乎多兩倍。」

最終，研究人員發現增加對材料施加的應變，能夠改變電子的流動，光致發光的強度可以反映出來這一點。

團隊與康涅狄格大學材料科學與工程系助理教授 Avinash Dongare 以及計算機建模方面的專家、前博士生 Jin Wang 的合作研究表明，在理論上，他們的處理可以操控二硒化鎢及其他原子薄度的材料的帶隙，這對於找到更快速更高效的半導體和感測器來說極為重要。將非常靠近轉變點的間接帶隙半導體轉化為直接帶隙，有望通向極快的處理能力。

價值

Pettes 表示，這項研究成果標誌著，科學家們首次令人信服地展示通過機械方式操控原子級薄度的材料的特性，從而提升其性能。這種能力將通向更快速的計算機處理器和更有效的感測器。

他又說：「這是首次確鑿地報道了通過外部控制，從間接向直接的電子帶隙轉變。我們的研究成果，使得計算機科學家可採用人工智慧設計出高度抗應變或者應變敏感的結構。這對於下一代高性能柔性納米電子設備和光電設備來說極為重要。」

科研人員取得這一成果所採用的處理方法也有著重大的意義，為測量應變對於超薄材料產生的影響提供了一種可靠的新技術。之前，這種測量一直很難開展，同時也妨礙了創新。

Pettes

表示：「涉及應變的實驗通常受到批評，因為這些原子級薄度的材料的應變實驗非常難以判斷，並且經常被推測為是不正確的。我們的研究提供一種開展超薄材料應變相關測量的新方法，而且它非常重要，因為應變會為這些跨越許多不同科學領域的材料的特性，帶來數量級的改變。」

關鍵字

二維材料、柔性電子、電子、帶隙、應變

參考資料

【1】https://today.uconn.edu/2018/05/strain-improves-performance-atomically-thin-semiconductor-material/

【2】Wei Wu, Jin Wang, Peter Ercius, Nicomario C. Wright, Danielle M.
Leppert-Simenauer, Robert A. Burke, Madan Dubey, Avinash M. Dogare,
Michael T. Pettes. Giant Mechano-Optoelectronic Effect in an Atomically Thin Semiconductor. Nano Letters, 2018; 18 (4): 2351 DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b05229

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