前言

    材料科學家首次明確表明，應力應變可以提高單層薄膜材料的性能。這一發現用來制造更快的計算機處理器和更高效的光學傳感器。

    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的設備，以便對僅有六個原子層厚度的半導體材料施加應變。該項目證實了但產能薄膜材料的性能可以通過加載應力來提高。這些發現可以用來制造更快的計算機處理器以及更好的光學傳感器 圖片為Peter Morenus 和 UConn的照片

    康大材料科學研究所的研究人員將單層半導體薄膜材料進行拉伸后，顯著提高了薄膜的性能，對設計新一代柔性電子器件、納米器件和光學傳感器的工程師來說，這一研究成果非常有用。

    康涅狄格大學機械工程系助理教授Michael Pettes在Nano Letters期刊上發表的一項研究報告表明，六個原子層厚的雙硒化鎢雙層膜在受到應變后光致發光性能增加了100倍。而該材料以前從未表現出這種程度光致發光性能。

    Pettes說，這一發現標志著科學家首次確切的證明，原子級單層薄膜材料的性能可以通過應力應變來提高。這一發現用來制造更快的計算機處理器和更高效的光學傳感器。

    相對于實驗結果來說，研究人員做成實驗的過程也很重要，因為它提供了一種可靠的新方法來測量應變對薄膜材料的影響，因為有些實驗很難成功，從而成為創新的障礙。

    Pettes說：“涉及應變的實驗往往受到質疑，因為應力應變后薄膜材料的性能很難測量出，而且經常不準確，我們的研究為應變后的薄膜材料性能測量提供了一種新方法，這一點很重要，因為在許多不同的科學研究領域中，應變會使材料的性能發生巨大變化。”

    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，科學家們對單層薄膜材料的潛在價值很感興趣。由于超級材料具有很高的強度、很好的韌性和導電性，二維石墨烯改變了電子產業，并為研究人員贏得了諾貝爾獎。

    盡管如此，石墨烯也有其局限性。這不是一個好的半導體，因為它的內部結構沒有電子帶隙。結果就是，當材料通電時，電子不受阻礙得迅速通過。最好的半導體材料（如硅）具有相當大的帶隙，可以在電子流動時開啟或關閉。這種特性對創建0字符串、組建晶體管與集成電路中的二進制計算代碼來說非常重要的。

    材料科學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。

    我們已經知道應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，薄膜的超薄結構使得它們特別容易彎曲和拉伸。但可以確定得是，測試應變對單層薄膜材料的影響非常困難。

    在本研究中，Pettes和他實驗室的Wei Wu博士學生以及該研究的主要作者成功地測量應變對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層中，然后在氬氣室中加熱。（暴露于空氣會破壞樣品）。這種熱處理加強了材料對聚合物基材的粘附力，使得應力應變幾乎完美地加載，這在以前的實驗中很難實現。

    該小組隨后定制了一種彎曲設備，使他們能夠在Horiba多線拉曼光譜儀監測材料應變時能夠小心地增加應變，Horiba多線拉曼光譜儀在哈佛的納米尺度系統中心，是由國家科學基金會資助的共享用戶設施。

    這是一個激動人心的時刻。Pettes表示：“我們的新方法可以對2-D材料施加2倍的壓力，這比之前任何研究報告的都要多，從本質上說，我們已經步跨入了新領域。”

    最終，研究人員發現，對材料施加的越來越大的應變改變了它的電子流，光致發光的強度增加恰好反映了這一點。

    該團隊與康恩大學材料科學與工程助理教授Avinash Dongare合作，Avinash Dongare是計算機建模專家，也跟曾任博士學生Jin Wang合作，團隊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，這對尋求更快、更高效半導體和傳感器的設計工程師來說非常重要。在接近于直接帶隙的情況下，用間接帶隙來操縱半導體，可能會擁有極快的處理速度。

    Pettes說：“這是第一次有確鑿的證據表明，非直接對直接電子帶隙過渡的外部控制，我們的研究結果允許計算科學家使用人工智能來設計具有極度抗應變或應變敏感結構的新材料，這對下一代高性能柔性納米電子學和光電子器件來說非常重要。”

    Pettes和Wu參與研究的有兩名本科生：UConn高年級生Nico Wright，前McNair學者和NSF大學生研究經歷（REU）計劃的參與者； Danielle Leppert-Simenauer，同時Danielle Leppert-Simenauer也是NSF REU計劃的前參與者，目前是加利福尼亞大學圣地亞哥分校物理專業的本科生。

    馬里蘭州Adelphi的美國陸軍研究實驗室提供石墨烯薄膜，用于確認UConn研究人員用來測量應變的校準標準。在勞倫斯伯克利國家實驗室的分子鑄造室中，通過透射電子顯微鏡證實了二硒化物雙層的原子級厚度。

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