基于拉曼光谱技术的层状二维材料界面剪切行为研究

The various novel properties of layered two-dimensional (2D) materials and heterojunctions are tightly related with the van der Waals interactions at the interfaces. However, compared with the material synthesis and device fabrication that with broad interests, few attempts are focused on the mechanical modulation of the interlayer coupling of these materials for more functional devices by modifying their interfacial shear behaviors. Therefore, a systematic study on the interfacial shear behaviors of layered 2D materials, not only help understanding their fundamental physical and structural parameters, but also help advance the 2D device development and the industrialization. This project focuses the experimental study of the interfacial shear behaviors of 2D materials based on high-resolution Raman spectroscopy, aims to establish the platform for the detection, measurement and modulation of the interfacial shear behaviors for 2D materials, and develop several types of mechanics-modulated electronic devices. It will help develop new types of technologies for experimental solid mechanics, and advance the realization of mechanical methods in new 2D electronics.

层状二维材料及其异质结崭新的物理特性与其层间界面的范德华力耦合作用密切相关。但是，相比于广受关注的材料制备及器件性能研究，这些层状二维材料的实验力学研究较少，特别是如何通过对其中相邻层和界面剪切行为进行力学控制，来调节它们的界面作用，从而改变其多场耦合特性，实现更多更好的器件功能，目前未见相关文献报道。深入研究二维材料中的这些界面剪切行为，不仅具有重要的基础科学意义，而且对于二维电子器件的设计和应用，也有着重要的参考价值。本项目基于高分辨拉曼光谱技术对层状二维材料及其异质结的界面剪切行为进行研究，以期建立层状二维材料界面剪切行为检测的实验力学平台，寻找二维材料界面剪切行为调控的有效途径，发现界面剪切行为与多场耦合关系的新原理和新规律，并探索基于力学调控的新型电子器件。本项目有助于发展更多样化的二维材料实验力学技术，及更好地实现力学方法在新型电子器件中的应用。

本项目以拉曼光谱技术为主要手段，围绕层状二维材料界面剪切行为的实验力学检测、调控和器件应用这三个关键问题进行了研究，取得了如下标志性成果：1、发展了同位素光谱学技术，将界面两侧石墨烯层可检测应变差阈值由0.7%降至0，实现了对其各层应变的检测，并通过范德华力耦合下应变特征的不同，利用剪滞模型建立对界面剪切作用的分析方法；2、通过采用同位素气体甲烷并控制其制备过程中的导入顺序、时间和流速，实现了对石墨烯堆垛中某一层的同位素碳13原子替换，从而造成光谱学峰位的显著差别，并利用制备时间差异，调节了双层石墨烯堆垛中界面两侧片层的面积，实现了双层石墨烯界面剪切强度的调控；3、发现双层石墨烯岛状片层在交替叠合时，可以在所依附的柔性衬底进行拉伸时，通过交叠面积的变化造成隧穿电流强度的剧烈变化，从而产生更加敏感的变形-电流耦合，并在其基础上发展出一款基于该结构的应变传感器。本项目进行期间共发表SCI论文13篇，其中第一标注6篇，第二标注7篇；发表EI综述论文1篇（第二标注）；申请并获批国家发明专利3项；培养博士研究生6人（1人已毕业），硕士研究生9人（8人已毕业）。