二维材料的应变工程：从应变场论到能带调控及其光学应用

来源：两江科技评论01导读

应变工程通常是指一类材料加工工艺，旨在通过拉伸或压缩应变来调控材料的性能或优化相关器件的性能。近些年来，随着二维材料的兴起，基于二维材料（过渡金属二硫化物（TMDCs），石墨烯等）的应变工程的研究变得火热起来。相对基于三维体材料的传统工业中的应变工程，二维材料的原子级厚度的特性使得它们的应变工程研究更为有趣，同时也在应变工程与纳米光子学之间架起了一道桥梁。 

近日，来自香港城市大学的雷党愿教授及其在香港理工大学的合作者在国际顶尖学术期刊《Light: Science& Applications》上发表了题为“Strain engineering of 2D semiconductors and graphene: From strain fields to band-structure tuning and photonic applications”的综述文章。在该篇综述文章中，研究人员以传统的宏观应变场理论作为出发点，对处于应变场下的二维半导体（TMDCs）以及石墨烯的能带结构变化进行了论述，并基于这些基本理论对在实验中观察到的光学现象进行了讨论。随后，该文章对能产生不同模式的应变工程技术进行了分类总结，在文章的最后，研究人员对基于二维材料应变光子学的实际光学器件方面的应用进行了概括，并对该领域存在的问题和未来的发展方向分别进行了探讨和展望。

02研究背景

在传统的应变工程中，其研究对象一般是硅，锗，等传统三维体材料。这些材料由于其本征的三维特性，往往不具有太高的断裂应变。所以新兴的具有原子级厚度的二维材料（例如石墨烯，TMDCs）走进了大家的视野，二维材料与应变工程的交融在当今科学界和产业界已经得到了广泛的研究。相对于传统的三维体材料，二维材料的二维特性赋予了他们一些与传统体材料截然不同的特性，使得它们的应变工程研究更引人注目：

2.1二维材料具有更好的机械性能

很多研究已经证明了二维材料（如石墨烯，TMDCs等）相对于传统体材料具有更好的机械性能（变形能力），使得它们可以具有更大的断裂应变。

2008年，Changgu Lee等人利用原子力显微镜和纳米压痕技术表明单层的自支撑石墨烯薄膜具有高达25%的断裂应变。2011年，SimoneBertolazzi等人利用与上述类似的技术测得单层的自支撑二硫化钼（MoS2）薄膜最高具有11%的断裂应变。而传统的硅往往只有大约1.5%的断裂应变，因此二维材料具有更大的断裂应变，从而使其具有更大的应变调控范围。

2.2二维材料具有更好的光学性质

首先，单层的二维半导体材料（如TMDCs）大多为直接带隙，而且发光位置大多在可见光范围。更重要的是，其单层特性使得它们具有极强的库伦相互作用和很弱的介电屏蔽效应，使其具有较大的激子结合能（通常可达几百meV）。这一特性使得二维半导体材料即使在室温也具有很强的激子效应和明显的兴致发光（Photoluminescence（PL））谱线。与此同时，在单层的TMDC中，晶体空间反演对称的破坏和自旋轨道耦合（SOC）使得它们的价带顶和导带底都会发生较强的自旋轨道耦合劈裂 （图1a），这一特性又使得我们可以将单层TMDC中的激子分为“A激子”，“B激子”，（图1b）“明激子”和“暗激子”等，这也使得二维TMDC的光学性质变得更为丰富。图1 本征二维TMDCs和石墨烯的能带结构和光学性质。

2.3二维材料具有更多变的变形模式

在传统的应变工程中，人们一般只能通过面内的外延生长技术来实现面内的小量级（大约1%）应变。而在二维材料中，其原子级厚度的特性使得它们还可以实现面外的应变，从而使得二维材料相较于传统体材料具有更多的变形模式，在二维材料中，我们可以实现单，双轴面内应变，卷曲，褶皱以及和纳米结构耦合而成的局域非均匀应变。多样的变形模式会带来多样的能带以及光学性质的调控，这使得应变工程在二维材料中的应用前景广阔。

03创新研究

在这篇综述中，研究人员首先介绍了传统的弹性理论并辅以低能有效哈密顿量从宏观和微观的角度对处于应变场中的二维材料的电子态和光学性质进行了描述和预测。随后，文章对从实验中观测到的处于不同应变模式下的光学谱线以及对应的应变工程技术进行了总结。最后，该文章讨论了现阶段该领域存在的问题并对该领域的未来发展进行了展望。

3.1应变场下的光谱变化

对于二维材料，当其处于应变状态时，其原子之间的距离的变化会导致材料的电子能带结构产生变化（图2a，c）从而进一步调控二维材料的光学性质。本节主要讨论了在不同应变模式下二维TMDCs和石墨烯的能带和光学谱线的变化。总的来说，对于二维TMDCs，由于其极强的激子效应，我们可以用PL谱线来反映他们的光学性质，在拉伸（压缩）应变的条件下，二维TMDCs的PL谱线有红移（蓝移）的趋势 （图2b）。对于石墨烯而言，由于其本征零带隙的特性，我们通常用拉曼（Raman）谱线来反映其光学响应，在应变条件下，石墨烯的Raman峰通常会出现偏移和劈裂的现象（图2d）。图2 处于应变场下的二维TMDCs与石墨烯的能带与光谱变化。

3.2应变场下的新颖光学响应

除了上述比较基本的光学响应，本节主要阐述在特殊的情形或者处于特殊的应变模式时，我们可以观察到的一些新颖的光学响应。比如随应变场变化而变化的二次谐波信号，应变导致的相变等。在折叠的二维TMDCs中，我们还可以观察到“光学漏斗”效应，在低温条件下，我们甚至还可以观察到单光子发射现象。这些新颖的光学现象为应变工程在二维材料这个平台上提供了更为广阔的舞台。

3.3应变工程技术

本节主要概括了在二维材料应变工程中主要采用的应变工程技术，根据这些技术最后产生的应变模式，我们主要将这些技术分为均匀单轴应变技术（图3a），均匀双轴应变技术（图 3b）和局域非均匀应变技术（图3c，d）。图3 一些可以产生不同应变模式的应变工程技术的原理示意图。

3.4应用及展望

本节主要概括了迄今为止基于二维材料的应变光子学的实际应用以及对该领域的未来的展望。目前基于二维材料的应变工程的光学应用主要包括应变传感器，光伏器件，纳米尺度的高分辨成像，单光子源等。然而在现阶段，二维材料的应变工程主要局限在应变场对单种二维材料的调控，在未来的发展中，我们可以将应变工程与更多光学结构（如光学微腔，光纤等）结合研究其耦合特性。与此同时，基于二维材料的异质结结构在最近得到了广泛的关注，应变工程对这些异质结结构的影响也是一个值得研究的领域。