二维MoS2疲劳行为的原位研究

As a semiconductor material with bandgap, two-dimensional MoS2 has a wide range of practical applications in the micro and nano semiconductor electronics industry. Previous theoretical simulations and nanoindentation tests revealed their excellent mechanical properties , but were subject to perfect crystals or localized areas that did not reflect the true planar mechanical properties of two-dimensional MoS2. Even the fatigue property which dictates the practical applications of two-dimensional MoS2 in nano-electronic devices is less reported. In addition, under the influence of the electron beam irradiation, thermal, electrostatic doping etc., phase transition will occur in the two-dimensional MoS2 that providing a new choice for the new phase transition sensors or memories and other corresponding nano-electronic devices. However, its phase structure stability under fatigue stress impact has not been discussed in depth. Therefore, this project will take the two-dimensional MoS2 as the research object, measuring, observing and analyzing its fatigue characteristics and fatigue fracture mechanism, and the stability of the phase structure under the fatigue stress impact by in-situ electron microscope. The influences of fatigue cycles, loading-unloading frequencies, the number of atomic layers and other factors on its fatigue characteristics and fatigue fracture will be discussed, including the feasibility to improve its fatigue property and fatigue fracture by repeated loading. The research will enhance the safety, stability and durability of two-dimensional MoS2 in nano-electronic devices and provide a benificial reference for the design, development and applications of other transition-metal dichalcogenides nano-electronic devices.

二维MoS2是非零带隙的半导体材料，在微纳半导体电子产业具有广泛的实际应用前景。之前的理论模拟和纳米压印测试表明二维MoS2具有优异的力学性能，但限于完美晶体或局部区域，不能反映二维MoS2的真实平面力学性能，而对其在纳电子器件中的实际应用有决定作用的疲劳性能则鲜见报道；另外，二维MoS2在电子辐照、热、静电掺杂等条件下会发生相变，为新型相变传感或存储器等纳电子器件提供了新选择，但其在疲劳应力冲击下的相结构稳定性还未做深入探讨。因此，本项目将以二维MoS2为研究对象，利用原位电镜对其疲劳特性与断裂机理进行研究，并探索其在循环应力冲击下的相稳定性，分析疲劳周次、加载-卸载频率、原子层数等因素对其疲劳特性和疲劳断裂的影响，探讨反复加载能否改善疲劳性能和断裂的可行性；本研究将提升二维MoS2纳电子器件在应用方面的安全性、可靠性和持久性，为其他二维TMDCs纳电子器件的研发和应用提供有益的参考。

由于原子级厚度和平面特性，二维材料被认为是优秀的电子材料，这使得它们在未来的器件应用中具有巨大的潜力。其功能器件的稳健可靠应用需要深入了解其力学性能和变形行为，这在纳米力学中是至关重要的，也非常具有挑战性。原位显微技术在这方面显示了巨大的优势。详细分析了各种原位AFM、SEM、TEM技术的技术特点、优缺点及主要研究领域。对于各种原位显微技术，我们系统地总结了从测量基本纳米力学到揭示原子尺度纳米力学行为和机理的发展历程。此外，利用原位集成显微镜技术的优势互补，可以同时研究二维材料的力学性能、纳米力学行为和固有原子机制，以此指导未来的研究方向。首先，结合AFM尖端局部原子水平特征、SEM和TEM的全局平面动态实时能力以及TEM的原子水平分辨率的优势，不断开发和优化具有高时空原子分辨率的原位集成显微镜技术。其次，测量多场耦合条件下的机械、电学、光学、热学、磁学等物理性能，包括温度、湿度、使用环境等的影响。最后，揭示二维材料物理性质之间的动态结构-性能关联、界面特征演化以及相应的原子机制，为未来纳米电子器件的基础和应用提供有益的指导。.发展了适用于二维材料的原位TEM循环加载-卸载拉伸（加速）测试技术，首次原位表征了少层MoS2纳米片的疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂失效的全过程，并构建了全过程的分子动力学模型辅以验证，揭示了其平面周期变形性能与行为；发现并验证了在少层MoS2纳米片上自然叠加的外部纳米碎片或内部褶皱可以有效增强纳米片的平面循环性能与变形行为；揭示了施加外应力方向与自然叠加层夹角对少层MoS2疲劳裂纹萌生与扩展行为的调控规律，发现随着夹角从0增加至90，叠加层对其在平面循环变形过程中的疲劳裂纹萌生和扩展的影响由减速或终止逐渐向加速转变。