应变对独立PtSe2材料在可扩展二维微机电系统（2D MEMS）中的影响

《Advanced Materials》：Impact of Strain in Free-Standing PtSe2 in Scalable 2D MEMS

PtSe?薄膜通过退火工艺实现无机械转移的自由悬浮结构，为可扩展的微机电系统提供新平台。研究展示该薄膜在应变调控下具有显著压敏特性，并利用有限元模拟解析多晶结构对机械和电学性能的影响，证实VRH机制主导薄层传输行为，同时验证硅兼容工艺的可行性。

　　在现代微电子与纳米电子器件的发展中，二维（2D）材料因其独特的物理特性，如高导电性、优异的光学响应以及可调的机械性能，正逐渐成为研究热点。这些材料通常由原子层结构组成，展现出与传统三维材料截然不同的行为，尤其是在应变工程方面具有显著优势。应变调控不仅能够改变材料的电子结构，还可能影响其导电性、光学响应和机械稳定性。在这一背景下，PtSe?作为一种重要的二维过渡金属二硫属化物（TMDs），因其强应变依赖的电导变化，被广泛认为是实现可调应变传感器和微机电系统（MEMS/NEMS）的理想候选材料。然而，由于其大规模合成技术的限制以及机械转移过程中的复杂性，将PtSe?等二维材料应用于实际器件仍面临诸多挑战。

传统的二维材料制备方法通常依赖于机械转移技术，即将材料从生长基底转移到目标衬底上。然而，这一过程不仅操作复杂，而且容易引入缺陷、污染和应变不均匀等问题，从而影响器件的性能和可靠性。此外，机械转移的高成本和低可扩展性也限制了其在大规模集成电路中的应用。因此，寻找一种无需机械转移的、能够实现二维材料大规模制备和应变调控的方法，成为当前研究的重要方向。

本研究提出了一种全新的制备方法，能够在不进行机械转移的情况下，直接在硅基底上制造自由悬挂的PtSe?薄膜通道。这种方法通过热辅助转化（Thermally Assisted Conversion, TAC）技术，在可兼容后端工艺（BEOL）的温度条件下（约450°C），将预先沉积的铂（Pt）层转化为PtSe?。随后，通过光刻定义的铂通道结构，在二氧化硅层上进行选择性刻蚀，从而形成自由悬挂的PtSe?薄膜通道。这一方法不仅避免了机械转移带来的问题，还实现了对材料厚度和尺寸的精确控制，为后续的应变调控提供了良好的基础。

在制备过程中，PtSe?薄膜的结构特征被深入研究。通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF STEM）图像，可以观察到PtSe?薄膜呈现出多晶结构，其中包含不同尺寸的晶粒，这些晶粒相互交错形成了一种自支撑的纳米多孔网络。这种多晶结构的存在对材料的电输运行为产生了重要影响。通过在光学低温恒温器中对样品进行降温处理，并测量其电阻随温度的变化曲线，研究团队发现PtSe?薄膜的输运特性表现出变量范围跳跃（Variable-Range Hopping, VRH）行为，而非传统的载流子迁移行为。这一现象在低温度下尤为显著，其电导率随温度变化遵循特定的指数关系，表明材料中的载流子需要通过多个晶粒之间的跳跃来实现整体导电。这种多晶结构导致的VRH输运行为在较薄的PtSe?薄膜中更为明显，而较厚的薄膜则表现出与半金属特性相符的线性温度依赖关系。

进一步的实验表明，PtSe?的应变响应与其电导变化密切相关。当施加背接触电压时，PtSe?薄膜能够产生可调节的应变，从而影响其电导率。这种应变响应不仅适用于PtSe?，还可能适用于其他二维材料，如MoS?。然而，PtSe?在应变调控方面的表现尤为突出，其电导率随着应变的增加而显著提升，这种现象被称为负的应变系数（负的压阻效应）。与金属、硅或SnS?等材料不同，PtSe?的压阻效应主要表现为电导率随应变的增加而增强，这使其在需要高灵敏度的应变传感应用中具有显著优势。

为了更好地理解PtSe?的应变响应机制，研究团队利用有限元模拟（FE）对多晶薄膜的纳米力学特性进行了分析。模拟结果表明，PtSe?在拉伸应变下的电导率变化与材料的晶界和晶粒排列密切相关。多晶结构的存在使得载流子在不同晶粒之间的跳跃更加频繁，从而增强了材料对拉伸应变的响应能力。此外，模拟还揭示了多晶薄膜在拉伸应变下的光学行为，如拉曼光谱的变化，进一步支持了实验观察到的电导率与应变之间的关系。

本研究中的自由悬挂PtSe?薄膜通道不仅具有良好的应变调控能力，还表现出优异的环境稳定性，使其能够在常温常压下长期使用。这种稳定性对于实际器件的集成和应用至关重要，尤其是在需要长时间运行的传感器和执行器中。此外，PtSe?的制备温度与现有的CMOS工艺兼容，这意味着它可以在硅基集成电路中直接集成，而无需额外的高温处理步骤。这一特性使得PtSe?成为未来可扩展、高集成度的MEMS/NEMS器件的理想材料。

通过这种方法，研究团队成功制造了多种自由悬挂的二维材料薄膜，包括PtSe?、MoS?和玻璃碳。其中，PtSe?因其高应变敏感性和良好的工艺兼容性，成为当前研究的重点。而MoS?和玻璃碳则展示了该方法在其他材料体系中的适用性，进一步验证了其通用性。通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）的表征，研究团队评估了所制备薄膜的结构完整性，发现其具有较高的桥结构良率（约20%），这对于纳米尺度的器件来说是一个相对较高的数值。这一良率的提升与薄膜厚度密切相关，较薄的薄膜虽然更容易产生应变响应，但其机械稳定性较低，因此需要在制备过程中对厚度进行精确控制。

此外，研究团队还对PtSe?薄膜在不同温度下的电导率变化进行了详细分析。在低温条件下，PtSe?薄膜的电导率表现出VRH行为，而在较高温度下则趋向于线性依赖。这一温度依赖性的变化反映了材料在不同条件下可能存在的不同输运机制，对于理解其在实际应用中的性能具有重要意义。例如，在低温环境下，PtSe?薄膜的电导率随温度的变化遵循特定的指数规律，而在较高温度下，其电导率则与温度呈线性关系。这种行为的变化可能与材料内部的载流子分布和晶界特性有关，进一步揭示了PtSe?在应变调控和温度响应方面的复杂性。

为了进一步验证这一方法的可行性，研究团队还对PtSe?薄膜的振动特性进行了研究。通过施加交流背接触电压，他们观察到了薄膜的共振行为，并测量了其共振频率和品质因子（Q值）。实验结果显示，PtSe?薄膜在拉伸应变下能够表现出良好的机械性能，其共振频率可达396.16 kHz，品质因子为1.5 × 10?。这一结果表明，PtSe?薄膜不仅具有高灵敏度的应变响应能力，还能够承受较大的机械应力，从而适用于高精度的微机电系统。

本研究提出的方法不仅为二维材料的应变调控提供了新的思路，还为实现大规模、可集成的MEMS/NEMS器件奠定了基础。通过避免机械转移步骤，该方法简化了制备流程，提高了器件的可扩展性和可靠性。同时，该方法在不同厚度的PtSe?薄膜中均表现出良好的适用性，说明其在材料工程中的广泛潜力。此外，研究团队还展示了该方法在其他材料体系中的应用，表明其不仅适用于PtSe?，还可能适用于其他二维材料和非二维材料，如玻璃碳。

综上所述，本研究通过一种无需机械转移的制备方法，成功实现了自由悬挂的PtSe?薄膜通道的制造，并对其应变响应、电导率变化和机械性能进行了系统研究。这一方法不仅为二维材料在微机电系统中的应用提供了新的可能性，还为未来集成电子、光电子和传感技术的发展带来了深远的影响。PtSe?因其优异的应变敏感性、良好的环境稳定性和与现有硅工艺的兼容性，被认为是一种极具前景的材料，能够在未来的微纳机电系统中发挥重要作用。通过进一步优化制备工艺和材料性能，有望实现更高效、更稳定的器件设计，推动二维材料在实际应用中的落地。