手性链二维碲烯超快激光冲击应变：模具拓扑调控的各向异性形变新机制

《Nano-Micro Letters》：Ultrafast Laser Shock Straining in Chiral Chain 2D Materials: Mold Topology-Controlled Anisotropic Deformation

本刊推荐：为解决二维材料应变工程中可控性差和晶体完整性难以保持的难题，研究人员开展了基于超快激光冲击印刻(LSI)技术对手性链半导体碲烯(Te)进行各向异性应变调控的研究。研究揭示了平行/垂直链方向应变分别诱导链滑移/旋转和剪切驱动多模式形变的双机制，并发现尖锐边缘模具可产生局部高剪切力，实现密集形变区与单晶保留区的共存。该工作为手性链二维材料的纳米尺度精密应变工程提供了新范式。

　　

在低维材料调控领域，应变工程已成为一种革命性的技术手段，能够通过精确控制晶格变形来定制材料的电学、光学和机械性能。二维材料因其卓越的机械柔性和独特的物理性质，成为应变工程的理想平台。然而，如何在二维材料中引入可控、精确且不破坏晶体完整性的应变场，一直是该领域面临的重大挑战。传统的应变引入方法，如晶格失配和机械屈曲技术，在可控性和精度方面存在局限。超快激光冲击印刻技术的出现为解决这一难题提供了新思路，它利用激光与物质相互作用产生的高压冲击波，能够实现二维材料的超平滑三维纳米成型。尽管该技术已在石墨烯和过渡金属二硫化物中获得成功应用，但对于具有独特手性链结构的二维碲烯而言，其超快应变速率下的形变机制和晶体响应仍是不解之谜。

二维碲烯作为一种新兴的手性链半导体，具有窄带隙、高载流子迁移率和显著的应变敏感性，在应变调控电子和光电子器件方面展现出巨大潜力。其原子结构由沿[0001]方向螺旋排列的碲原子链构成，链内通过强共价键连接，链间则通过弱范德华力堆叠。这种强烈的各向异性结构使得碲烯对不同方向的应变表现出截然不同的响应，但相关的形变机制研究仍属空白。理解手性链二维材料在超快应变下的变形行为，对于推动应变工程在新型电子和光电器件中的应用至关重要。

本研究首次实现了超快激光冲击印刻技术在手性链碲烯上的应用，系统阐明了应变场方向、模具拓扑结构与各向异性结构演化之间的内在联系。研究人员通过控制应变场与碲烯螺旋链的相对方向，揭示了两种截然不同的形变机制：当应变平行于链方向时，弱链间相互作用主导的链滑移和旋转成为主要形变方式，共价键主导的链内结构和振动模式得以保持；而当应变垂直于链方向时，剪切力驱动的多模式形变（包括拉伸、压缩和弯曲）导致显著的晶格畸变和电子性质调制。

更为重要的是，本研究发现了模具拓扑结构对形变行为的关键影响。与平滑的CD模具产生的均匀应变场不同，具有尖锐边缘的光栅模具能够产生高度局域化的剪切力，更有效地促进位错缠结的形成、晶格重新取向和非均匀塑性变形。这种不对称应变配置实现了局部结构转变与相邻区域单晶完整性的共存，为功能纳米结构制备提供了新途径。

关键技术方法

研究团队通过溶液法合成二维碲烯，并采用朗缪尔-布洛杰特法将其转移至铝箔上。利用Nd:YAG激光器产生脉冲能量396mJ、脉宽5ns的激光束，通过控制功率密度实现超快激光冲击印刻。分别采用CD和光栅两种纳米模具产生对称和非对称应变场。通过透射电子显微镜、高分辨扫描透射电子显微镜、拉曼光谱和分子动力学模拟等多尺度表征手段，系统分析应变碲烯的微观结构演变和力学响应。

3.1 应变场方向对二维碲烯结构演化的影响

当对称应变场平行于[0001]链方向时，TEM分析显示碲烯主要通过晶格旋转来适应应变。选区衍射花样显示存在1.82°、1.84°和2.02°的晶格旋转，但碲烯仍保持单晶特性，表明链滑移是主要的形变机制。

而当应变场垂直于链方向时，形变机制发生显著变化。TEM成像揭示了位错的形成成为主要的应变容纳方式。位错线沿[0001]方向呈波浪状排列，表明在对称形变下，应变主要通过位错的产生和运动来调节，而非大范围的晶格旋转。

3.2 二维碲烯的三维应变工程：超快激光冲击下的各向异性形变

光栅模具的尖锐边缘周期性拓扑结构从根本上改变了形变力学。这些尖锐边缘产生局部高剪切应力，引发碲烯的非均匀形变响应。

3.2.1 周期性剪切诱导的位错

SEM图像清晰显示，直接接触尖锐边缘的碲烯区域发生严重形变，而接触平坦区域的碲烯主要经历激光冲击强化过程，形变相对温和。TEM分析进一步证实，在严重形变区域形成位错缠结，衍射花样显示晶格取向变化约3.32°，明显大于CD模具产生的均匀应变场。

3.2.2 螺旋链形变

当光栅边缘垂直于碲烯螺旋链时，LSI过程对链结构施加显著的剪切力。相应的SAD花样显示晶格取向变化达6.37°，表明严重形变。尽管如此，晶格仍保持完整，证明了碲烯螺旋链在超快应变速率下的鲁棒性。

3.3 应变二维碲烯晶格结构变化的机理讨论

高分辨TEM和STEM成像在原子尺度上揭示了不同应变条件下二维碲烯形变的基本机制。

HRSTEM图像显示，在严重形变区域，高局部剪切应力诱导链滑移，表现为边缘位错状结构。相比之下，CD模具产生的对称应变场不仅触发类似的链滑移，还会扭曲链间相互作用，在晶格内产生额外的弹性应变场。这些观察结果为了解碲烯在三维应变下的行为提供了宝贵见解。

3.4 拉曼光谱分析及二维碲烯的应变机制

拉曼光谱为探测晶格振动和内部应变状态提供了有力手段。当应变场垂直于[0001]链方向时，A¹模式出现显著红移，峰值移至约117cm^-1，表明原子间相互作用减弱，晶格处于拉伸残余应力状态。

而当应变场平行于链方向时，拉曼光谱仅显示细微变化，从基线峰值(121cm^-1)轻微蓝移至约121.5cm^-1，这归因于压缩应变增强了链内原子间键合。弱链间相互作用促进链滑移，而不会引入显著的拉伸或压缩应力。

3.5 激光冲击下二维碲烯取向依赖性形变的MD与实验分析

分子动力学模拟进一步揭示了碲烯在不同加载条件下的形变机制。当碲链横向于光栅取向时，施加的应力诱导链的显著扭曲；而当碲链平行于光栅时，形变机制以高应力区域的广泛链滑移为主。

定量分析表明，沿链纵向方向的弹性模量为E=92.26GPa，链断裂发生在应力水平高于2.4GPa时。在(01ī0)面上的剪切加载模拟中，链滑移和扭曲开始的剪切应力为460MPa。这些模拟结果与实验观察相结合，为理解二维碲烯在超快激光冲击条件下的各向异性响应提供了深入的机理认识。

研究结论与讨论

本研究系统探索了二维手性链碲烯在超快应变速率下的形变响应，建立了应变场方向、模具拓扑结构与各向异性结构演化之间的直接联系。研究发现，平行于螺旋链的应变场主要诱导链滑移和旋转，而横向应变场驱动剪切介导的多模式形变（拉伸、压缩和弯曲）。模具拓扑结构在形变局部化中发挥关键作用：尖锐边缘光栅产生的局部剪切力远超平滑CD模具的均匀应变场，有效触发位错缠结形成、晶格重新取向和非均匀塑性变形。

尤为重要的是，不对称应变配置实现了局部结构转变与相邻区域单晶完整性的共存，这一平衡对于功能器件集成至关重要。这些发现将LSI定位为纳米尺度应变工程的精密工具，能够在不影响晶体质量的情况下塑造二维材料的形态。

该研究通过桥接超快力学与手性链材料科学，推动了应变可调谐器件的设计，同时为在极端应变速率下操纵各向异性二维系统建立了通用框架。研究发现的晶格取向依赖性形变机制，将平行应变与链滑移、横向应变与剪切驱动的多模式畸变联系起来，证明了模具几何形状是应变局部化和位错动力学的关键杠杆。识别出能够协调严重塑性变形与单晶保留的应变场条件，为功能纳米结构制造提供了新途径，重新定义了LSI在手性链材料超快应变工程中的潜力。

这项工作不仅为理解手性链二维材料的形变机制提供了重要理论依据，也为未来应变工程在柔性电子、光电子和应变敏感传感器等领域的应用奠定了坚实基础。通过精确控制应变诱导的结构变化，能够定制碲烯的电子、光学和机械性能，为下一代电子和光电器件的发展开辟了新道路。