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应力应变提高了单层半导体薄膜材料的性能

2018-05-17 09:41:24
作者:本网整理
来源:材料科技在线

材料科学家首次明确表明,应力应变可以提高单层薄膜材料的性能。这一发现用来制造更快的计算机处理器和更高效的光学传感器。

    前言


    材料科学家首次明确表明,应力应变可以提高单层薄膜材料的性能。这一发现用来制造更快的计算机处理器和更高效的光学传感器。


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    2018年4月18日,康大助理教授迈克尔佩特斯(左)和博士生魏武检查了下他们研发的设备,以便对仅有六个原子层厚度的半导体材料施加应变。该项目证实了但产能薄膜材料的性能可以通过加载应力来提高。这些发现可以用来制造更快的计算机处理器以及更好的光学传感器 图片为Peter Morenus 和 UConn的照片


    康大材料科学研究所的研究人员将单层半导体薄膜材料进行拉伸后,显着提高了薄膜的性能,对设计新一代柔性电子器件、纳米器件和光学传感器的工程师来说,这一研究成果非常有用。


    康涅狄格大学机械工程系助理教授Michael Pettes在Nano Letters期刊上发表的一项研究报告表明,六个原子层厚的双硒化钨双层膜在受到应变后光致发光性能增加了100倍。而该材料以前从未表现出这种程度光致发光性能。


    Pettes说,这一发现标志着科学家首次确切的证明,原子级单层薄膜材料的性能可以通过应力应变来提高。这一发现用来制造更快的计算机处理器和更高效的光学传感器。


    相对于实验结果来说,研究人员做成实验的过程也很重要,因为它提供了一种可靠的新方法来测量应变对薄膜材料的影响,因为有些实验很难成功,从而成为创新的障碍。


    Pettes说:“涉及应变的实验往往受到质疑,因为应力应变后薄膜材料的性能很难测量出,而且经常不准确,我们的研究为应变后的薄膜材料性能测量提供了一种新方法,这一点很重要,因为在许多不同的科学研究领域中,应变会使材料的性能发生巨大变化。”


    自2004年研究人员Andre Geim和Konstantin Novoselov成功地从石墨片上切下了单层石墨烯以来,科学家们对单层薄膜材料的潜在价值很感兴趣。由于超级材料具有很高的强度、很好的韧性和导电性,二维石墨烯改变了电子产业,并为研究人员赢得了诺贝尔奖。


    尽管如此,石墨烯也有其局限性。这不是一个好的半导体,因为它的内部结构没有电子带隙。结果就是,当材料通电时,电子不受阻碍得迅速通过。最好的半导体材料(如硅)具有相当大的带隙,可以在电子流动时开启或关闭。这种特性对创建0字符串、组建晶体管与集成电路中的二进制计算代码来说非常重要的。


    材料科学家正在探索其他二维和单层薄膜材料的潜在性能,希望能找到比石墨烯和硅更好的代替品。


    我们已经知道应变是提高这些材料性能的一种可行方式。与较大的三维块体不同,薄膜的超薄结构使得它们特别容易弯曲和拉伸。但可以确定得是,测试应变对单层薄膜材料的影响非常困难。


    在本研究中,Pettes和他实验室的Wei Wu博士学生以及该研究的主要作者成功地测量应变对二硒化二硒单晶双层的影响,方法是首先将其封装在丙烯酸玻璃的精细层中,然后在氩气室中加热。(暴露于空气会破坏样品)。这种热处理加强了材料对聚合物基材的粘附力,使得应力应变几乎完美地加载,这在以前的实验中很难实现。


    该小组随后定制了一种弯曲设备,使他们能够在Horiba多线拉曼光谱仪监测材料应变时能够小心地增加应变,Horiba多线拉曼光谱仪在哈佛的纳米尺度系统中心,是由国家科学基金会资助的共享用户设施。


    这是一个激动人心的时刻。Pettes表示:“我们的新方法可以对2-D材料施加2倍的压力,这比之前任何研究报告的都要多,从本质上说,我们已经步跨入了新领域。”


    最终,研究人员发现,对材料施加的越来越大的应变改变了它的电子流,光致发光的强度增加恰好反映了这一点。


    该团队与康恩大学材料科学与工程助理教授Avinash Dongare合作,Avinash Dongare是计算机建模专家,也跟曾任博士学生Jin Wang合作,团队表示他们的工艺在理论上可以控制二硒化钨和其他单层薄膜材料的带隙,这对寻求更快、更高效半导体和传感器的设计工程师来说非常重要。在接近于直接带隙的情况下,用间接带隙来操纵半导体,可能会拥有极快的处理速度。


    Pettes说:“这是第一次有确凿的证据表明,非直接对直接电子带隙过渡的外部控制,我们的研究结果允许计算科学家使用人工智能来设计具有极度抗应变或应变敏感结构的新材料,这对下一代高性能柔性纳米电子学和光电子器件来说非常重要。”


    Pettes和Wu参与研究的有两名本科生:UConn高年级生Nico Wright,前McNair学者和NSF大学生研究经历(REU)计划的参与者; Danielle Leppert-Simenauer,同时Danielle Leppert-Simenauer也是NSF REU计划的前参与者,目前是加利福尼亚大学圣地亚哥分校物理专业的本科生。


    马里兰州Adelphi的美国陆军研究实验室提供石墨烯薄膜,用于确认UConn研究人员用来测量应变的校准标准。在劳伦斯伯克利国家实验室的分子铸造室中,通过透射电子显微镜证实了二硒化物双层的原子级厚度。

 

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标签: 应力, 半导体, 薄膜材料

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