Strain engineering af 2-D halvleder og grafen

Strain engineering refererer normalt til en slags materialebehandlingsteknologi, som har til formål at regulere materialers egenskaber eller optimere relaterede enheders ydeevne ved iboende eller ekstern belastning. I de seneste år, med udvikling af 2-D materialer, forskningen omkring strain engineering af 2-D materialer (transition metal dichalcogenides [TMDCs], grafen, osv.) har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed. Sammenlignet med strain engineering af traditionelle bulkmaterialer, atomtykkelsen af ​​2-D-materialer gør dem mere egnede til at tjene som platform for strain-engineering forskning og bygger en bro mellem strain engineering og nanofotonik. Derfor, de fortjener opmærksomhed fra mange synsvinkler, fra grundlæggende fysik til praktiske anvendelser.

I et nyt blad udgivet i Lys:Videnskab og applikationer , et hold af videnskabsmænd, ledet af doktor Dangyuan Lei fra Institut for Materialevidenskab og Teknik, City University of Hong Kong, Kina, og kolleger har skrevet en oversigtsartikel for at opsummere den seneste udvikling inden for dette spirende felt. I dette anmeldelsespapir, den traditionelle makroskopiske stammefeltteori introduceres først. Derefter, båndstrukturændringerne af spændte 2-D halvledere (TMDC'er) og spændt grafen diskuteres, mens de optiske reaktioner observeret under forskellige slags belastningsfelter gennemgås. Efterfølgende dette papir opsummerer de strain engineering-teknikker, der kan anvende forskellige slags belastninger til specifikke 2-D-materialer. I slutningen af ​​denne artikel, de forskellige applikationer i optiske enheder, optoelektronik og andre fotonikapplikationer præsenteres, og de eksisterende problemer på dette område og deres fremtidige udvikling forventes, henholdsvis.

Traditionel strain engineering fokuserer hovedsageligt på silicium, germanium og andre 3-D bulkmaterialer, som normalt mangler høj brudstyrke på grund af deres iboende 3-D egenskaber. Nyudviklede 2-D materialer med atomtykkelse (såsom grafen, TMDC'er) er nu kommet ind i feltet. Deres strain engineering er blevet undersøgt bredt i både det videnskabelige samfund og industrisamfundet. Sammenlignet med de traditionelle 3-D materialer, 2-D-egenskaberne for 2-D-materialer giver dem nogle helt anderledes og nye egenskaber, gør deres strain engineering mere attraktiv. Disse videnskabsmænd opsummerer de unikke egenskaber ved 2-D materialer:

"Baseret på følgende tre punkter, vi mener, at 2-D-materialer er en perfekt platform for strain engineering:(1) 2-D-materialer har bedre mekaniske egenskaber (deformationskapacitet), hvilket betyder, at de kan tåle større belastning før brud sammenlignet med bulkmaterialer; (2) 2D-materialer har bedre optiske egenskaber på grund af deres stærke excitoneffekter, hvilket gavner deres yderligere anvendelser i fotonikenheder; og (3) 2-D materialer har mere variable deformationsmønstre. Deres egenskaber for atomtykkelse gør det muligt for dem at opnå belastning ud af planet, hvilket er næsten umuligt i 3-D bulkmaterialer, lader 2-D materialer have flere deformationsmønstre, såsom uniaksial og biaksial in-plane strain, rynke, folde, og lokaliseret uensartet stamme."

"Da typerne af den anvendte stamme er varierede, ændringerne af elektriske og optiske egenskaber er forskellige. Generelt, vi kan observere de rødforskudte (blåforskudte) PL-spektre fra de trækfaste (kompressive) belastede 2-D TMDC'er. Tilsvarende vi kan observere skift og opdeling af Raman-spektrene fra anstrengt grafen. Udover, mange nye optiske svar, såsom 'tragt'-effekt, enkelt-foton emission og afstembar anden-harmonisk generation, dukke op under en speciel belastningsfordeling." tilføjede de.

"Der er forskellige teknologier til at påføre belastninger på 2-D materialer. Baseret på typen af ​​den inducerede belastning, vi klassificerede dem normalt i tre kategorier, nemlig de enaksede strain-teknologier, biaksiale strain-teknologier og lokale strain-teknologier. Vi bør være mere opmærksomme på lokale stammeteknologier. De giver faktisk en ny måde at kontrollere fotoner på i et ultralille område. Afslutningsvis, 2-D-materialers fleksibilitet og optiske egenskaber (sammenlignet med deres omfangsrige modstykker) åbner døren for udviklingen af ​​potentielt vigtige nye strain-manipulerede fotoniske applikationer, " konkluderer forskerne.