异质结构二维纳米材料应变工程及力电耦合失效机理研究

Two-dimensional (2D) nanomaterials have great application prospects in electronics, optoelectronics, flexible devices, sensors and other areas for their outstanding mechanical, electrical, optic properties. 2D nanomaterials heterostructures can combine the individual physical properties of either component and these will lead the development of 2D nanaomaterials science. Strain engineering is a versatile method to regulate the electrical properties of 2D nanomaterials. Eletromechanical properties would apparently affect the life time and performance of 2D nanomaterials elctronics, optoelctronics, flexible devices, etc. This proposal mainly focuses on the graphene (semimetal), MoS2 (semiconductor) and h-BN (insulator). Different heterostructures and devices are prepared by the dry transfer method. The influences of uniaxial and biaxial tensile strain on the electrical properties of 2D nanomaterials heterostructures will be investigated. Conductive AFM nanoindentation method will be utilized to investigate the electromechanical properties and failure mechanisms of 2D nanomaterials heterostructures. This proposal is expected to provide beneficial guidelines for the design, manufacturing and application of 2D nanomaterials heterostructures functional devices.

二维纳米材料具有优异的力学、电学、光学、热学等物理性能，在电子器件、光电器件、柔性器件、传感器等许多领域具有非常重要的应用前景。异质结构二维纳米材料可以结合不同组成二维纳米材料的优异物理性能，是当前材料科学界的一个重要研究方向。应变工程可以有效调控二维纳米材料的电学性能，而且二维纳米材料的力电耦合特性对其在电子器件、光电器件、柔性器件等功能器件的使用寿命和性能可靠性具有非常重要的影响。因此，本项目针对半金属的石墨烯、半导体的二硫化钼和绝缘体的六方氮化硼这三种代表性的二维纳米材料进行研究，利用干法定向转移的方法制备不同组装类型的异质结构二维纳米材料及器件，研究单轴拉伸应变和双轴拉伸应变对其电学特性的影响，利用导电原子力显微镜纳米压痕法研究其力电耦合特性及失效机理。基于以上应变工程和力电耦合失效机理研究，本项目可以为异质结构二维纳米材料在相关功能器件领域的设计、加工和应用提供指导依据。

二维纳米材料具有优异的力学、电学、光学、热学等物理性能，异质结构二维纳米材料可以结合不同组成二维纳米材料的优异物理性能，在电子器件、光电器件、柔性器件、传感器等许多领域具有非常重要的应用前景。应变工程可以有效调控二维纳米材料的电学性能，而且二维纳米材料的力电耦合特性对其在电子器件、光电器件、柔性器件等功能器件的使用寿命和性能可靠性具有非常重要的影响。本项目针对半金属的石墨烯、半导体的二硫化钼和绝缘体的六方氮化硼这三种代表性的二维纳米材料进行研究，利用干法定向转移的方法制备了不同组装类型的异质结构二维纳米材料。利用光学分析系统，发现非公度结构少层二硫化钼纳米薄膜的层间耦合作用、残余应力的释放等因素对其光学、电学特性有显著影响，非公度结构二硫化钼纳米薄膜之间的晶向夹角对层间耦合作用的强弱有重要影响，还能显著影响其电子结构带隙。研究了机械剥离MoS2纳米薄膜的断裂行为和非公度结构MoS2的摩擦学行为，揭示了MoS2纳米薄膜的机械断裂机制，其倾向于沿着zigzag方向断裂，该发现为定向制备MoS2样品和纳米器件打下了坚实基础，同时揭示了层间耦合作用力对非公度MoS2摩擦力的影响机制。基于自主搭建的应变连续可调实验系统和光电响应系统，研究了拉伸应变对其电学特性的影响，发现随着应变的增加，其电子结构带隙会逐渐减小。利用导电原子力显微镜纳米压痕法研究其力电耦合特性及失效机理，发现半金属-半导体、半导体-半导体的材料组合方式的力电耦合失效响应远远超过半导体-绝缘体的组合，表明了绝缘外层对于纳米机电器件在工作过程中的结构完整性具有重要作用。基于以上应变工程和力电耦合失效机理研究，本项目可以为异质结构二维纳米材料在相关功能器件领域的设计、加工和应用提供重要的科学价值。