應(yīng)力應(yīng)變提高了單層半導(dǎo)體薄膜材料的性能

 前言

    材料科學(xué)家首次明確表明，應(yīng)力應(yīng)變可以提高單層薄膜材料的性能。這一發(fā)現(xiàn)用來(lái)制造更快的計(jì)算機(jī)處理器和更高效的光學(xué)傳感器。

    2018年4月18日，康大助理教授邁克爾佩特斯（左）和博士生魏武檢查了下他們研發(fā)的設(shè)備，以便對(duì)僅有六個(gè)原子層厚度的半導(dǎo)體材料施加應(yīng)變。該項(xiàng)目證實(shí)了但產(chǎn)能薄膜材料的性能可以通過(guò)加載應(yīng)力來(lái)提高。這些發(fā)現(xiàn)可以用來(lái)制造更快的計(jì)算機(jī)處理器以及更好的光學(xué)傳感器 圖片為Peter Morenus 和 UConn的照片

    康大材料科學(xué)研究所的研究人員將單層半導(dǎo)體薄膜材料進(jìn)行拉伸后，顯著提高了薄膜的性能，對(duì)設(shè)計(jì)新一代柔性電子器件、納米器件和光學(xué)傳感器的工程師來(lái)說(shuō)，這一研究成果非常有用。

    康涅狄格大學(xué)機(jī)械工程系助理教授Michael Pettes在Nano Letters期刊上發(fā)表的一項(xiàng)研究報(bào)告表明，六個(gè)原子層厚的雙硒化鎢雙層膜在受到應(yīng)變后光致發(fā)光性能增加了100倍。而該材料以前從未表現(xiàn)出這種程度光致發(fā)光性能。

    Pettes說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著科學(xué)家首次確切的證明，原子級(jí)單層薄膜材料的性能可以通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變來(lái)提高。這一發(fā)現(xiàn)用來(lái)制造更快的計(jì)算機(jī)處理器和更高效的光學(xué)傳感器。

    相對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)，研究人員做成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程也很重要，因?yàn)樗峁┝艘环N可靠的新方法來(lái)測(cè)量應(yīng)變對(duì)薄膜材料的影響，因?yàn)橛行?shí)驗(yàn)很難成功，從而成為創(chuàng)新的障礙。

    Pettes說(shuō)：“涉及應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)往往受到質(zhì)疑，因?yàn)閼?yīng)力應(yīng)變后薄膜材料的性能很難測(cè)量出，而且經(jīng)常不準(zhǔn)確，我們的研究為應(yīng)變后的薄膜材料性能測(cè)量提供了一種新方法，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樵谠S多不同的科學(xué)研究領(lǐng)域中，應(yīng)變會(huì)使材料的性能發(fā)生巨大變化。”

    自2004年研究人員Andre Geim和Konstantin Novoselov成功地從石墨片上切下了單層石墨烯以來(lái)，科學(xué)家們對(duì)單層薄膜材料的潛在價(jià)值很感興趣。由于超級(jí)材料具有很高的強(qiáng)度、很好的韌性和導(dǎo)電性，二維石墨烯改變了電子產(chǎn)業(yè)，并為研究人員贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。

    盡管如此，石墨烯也有其局限性。這不是一個(gè)好的半導(dǎo)體，因?yàn)樗膬?nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有電子帶隙。結(jié)果就是，當(dāng)材料通電時(shí)，電子不受阻礙得迅速通過(guò)。最好的半導(dǎo)體材料（如硅）具有相當(dāng)大的帶隙，可以在電子流動(dòng)時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉。這種特性對(duì)創(chuàng)建0字符串、組建晶體管與集成電路中的二進(jìn)制計(jì)算代碼來(lái)說(shuō)非常重要的。

    材料科學(xué)家正在探索其他二維和單層薄膜材料的潛在性能，希望能找到比石墨烯和硅更好的代替品。

    我們已經(jīng)知道應(yīng)變是提高這些材料性能的一種可行方式。與較大的三維塊體不同，薄膜的超薄結(jié)構(gòu)使得它們特別容易彎曲和拉伸。但可以確定得是，測(cè)試應(yīng)變對(duì)單層薄膜材料的影響非常困難。

    在本研究中，Pettes和他實(shí)驗(yàn)室的Wei Wu博士學(xué)生以及該研究的主要作者成功地測(cè)量應(yīng)變對(duì)二硒化二硒單晶雙層的影響，方法是首先將其封裝在丙烯酸玻璃的精細(xì)層中，然后在氬氣室中加熱。（暴露于空氣會(huì)破壞樣品）。這種熱處理加強(qiáng)了材料對(duì)聚合物基材的粘附力，使得應(yīng)力應(yīng)變幾乎完美地加載，這在以前的實(shí)驗(yàn)中很難實(shí)現(xiàn)。

    該小組隨后定制了一種彎曲設(shè)備，使他們能夠在Horiba多線拉曼光譜儀監(jiān)測(cè)材料應(yīng)變時(shí)能夠小心地增加應(yīng)變，Horiba多線拉曼光譜儀在哈佛的納米尺度系統(tǒng)中心，是由國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的共享用戶設(shè)施。

    這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻。Pettes表示：“我們的新方法可以對(duì)2-D材料施加2倍的壓力，這比之前任何研究報(bào)告的都要多，從本質(zhì)上說(shuō)，我們已經(jīng)步跨入了新領(lǐng)域。”

    最終，研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)材料施加的越來(lái)越大的應(yīng)變改變了它的電子流，光致發(fā)光的強(qiáng)度增加恰好反映了這一點(diǎn)。

    該團(tuán)隊(duì)與康恩大學(xué)材料科學(xué)與工程助理教授Avinash Dongare合作，Avinash Dongare是計(jì)算機(jī)建模專家，也跟曾任博士學(xué)生Jin Wang合作，團(tuán)隊(duì)表示他們的工藝在理論上可以控制二硒化鎢和其他單層薄膜材料的帶隙，這對(duì)尋求更快、更高效半導(dǎo)體和傳感器的設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)非常重要。在接近于直接帶隙的情況下，用間接帶隙來(lái)操縱半導(dǎo)體，可能會(huì)擁有極快的處理速度。

    Pettes說(shuō)：“這是第一次有確鑿的證據(jù)表明，非直接對(duì)直接電子帶隙過(guò)渡的外部控制，我們的研究結(jié)果允許計(jì)算科學(xué)家使用人工智能來(lái)設(shè)計(jì)具有極度抗應(yīng)變或應(yīng)變敏感結(jié)構(gòu)的新材料，這對(duì)下一代高性能柔性納米電子學(xué)和光電子器件來(lái)說(shuō)非常重要。”

    Pettes和Wu參與研究的有兩名本科生：UConn高年級(jí)生Nico Wright，前McNair學(xué)者和NSF大學(xué)生研究經(jīng)歷（REU）計(jì)劃的參與者； Danielle Leppert-Simenauer，同時(shí)Danielle Leppert-Simenauer也是NSF REU計(jì)劃的前參與者，目前是加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校物理專業(yè)的本科生。

    馬里蘭州Adelphi的美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室提供石墨烯薄膜，用于確認(rèn)UConn研究人員用來(lái)測(cè)量應(yīng)變的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的分子鑄造室中，通過(guò)透射電子顯微鏡證實(shí)了二硒化物雙層的原子級(jí)厚度。

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