二维材料大均匀单轴应变与线性应变梯度的实现

《Small》：Achieving Large Uniaxial and Homogeneous Strain in Two-Dimensional Materials

　　

应变是调控二维材料电子、磁性和拓扑性质的有力工具，尤其是在高应变（>3%）条件下，许多电子、磁性和结构相变被预测发生。然而，大多数对二维材料施加应变的方法被限制在1.5%以下，且在循环施加应变时重复性差，冷却过程中应变传递效率低。本研究报道了一种高产率的样品制备和器件应变平台，克服了上述限制，能够实现可重复、可逆的应变调控，最高可达所测试材料的内在断裂应变极限。研究人员进一步利用该平台可控地设计均匀线性应变梯度，为研究挠曲电（flexoelectric）和挠曲磁（flexomagnetic）现象提供了新途径。以CrSBr作为应变标定标准，研究人员展示了均匀单轴应变最高可达约4%，滑移可忽略不计，线性应变梯度最高可达0.06%/μm。该应变方法适用于广泛的二维材料，并通过三种不同相态的过渡金属硫族化合物（TMD）验证了其性能：2H-MoTe2、1T′-MoTe2和Td-WTe2。在Td-WTe2中，研究人员首次展示了A13和A12模式在2%应变下开始劈裂，并实现了高达5.5%应变的创纪录数值。

二维材料应变工程研究解读

一、研究背景与问题

应变是调控晶体材料电子能带结构、载流子相互作用以及光学、磁学等物理性质的重要工具。在二维材料中，由于其优异的弹性极限（断裂前弹性应变可达10%以上），应变工程具有独特的应用潜力，可实现载流子迁移率调控、光学传感、超导性调控以及关联电子态调控等功能。然而，尽管大应变能带来诸多优势，将大应变作为可靠且广泛可调的参数集成到二维材料及其异质结构的各种实验装置（如光学或磁输运低温恒温器）中，在技术上仍具挑战性——大多数应变装置被限制在1.5%以下。

现有应变方法存在多重局限。基于聚合物基底或封装层结合机械弯曲的方法，最大应变值受限于二维材料/聚合物界面粘附力，且可能产生非均匀应变场和界面无序。基于悬空结构的应变方法（如在Si/SiO₂芯片上制造裂缝并转移二维材料）虽有一定进展，但受限于产率低、间隙宽度不可控、边缘高度失配以及Si/SiO₂与二维材料间粘附力有限等问题。此外，许多方法中报告的应变是从基底形变推断而来，实际传递到二维材料的应变可能因滑移和非均匀应变场而与标称基底应变存在偏差。因此，需要一种更高效、更简单、能突破材料内在断裂极限、且易于集成到多种实验装置中的应变方法。

二、研究内容与主要结论

针对上述问题，研究人员报道了一种高产率的二维材料单轴拉伸应变制备方法，可达到多种被测二维材料的内在断裂应变极限。该方法通过三个主要策略实现突破：第一，结合光刻和深蚀刻工艺制造高度可控的间隙并保证基底对齐；第二，建立基底劈裂程序以保持基底高度均匀性，确保转移和应变过程中的良好接触；第三，通过聚己内酯（PCL）对Si/SiO₂基底进行功能化，增强接触粘附力和跨间隙应力传递。该研究发表在《Small》期刊上。

三、关键技术方法

研究人员采用了以下主要关键技术方法：利用压电堆栈应变单元（Razorbill CS100）结合定制加工的嵌入式沟槽基底；通过Bosch工艺在100 μm Si基底上部分蚀刻出50 μm深的沟槽（宽度5–50 μm作为标距长度）；采用PCL薄膜对基底表面进行功能化处理；基底经环氧树脂安装到应变单元后劈裂成两部分；使用干法转移方法将二维材料悬空转移至间隙上方，利用PCL作为拾取聚合物，通过加热至PCL玻璃化转变温度以上实现封装和强粘附。样本来源于机械剥离的块体单晶。

四、研究结果

4.1 CrSBr应变标定与均匀应变验证

研究人员以CrSBr作为模型二维材料验证应变传递效率。CrSBr的A_g¹模式（中心位于343.5 cm^-1）对应变敏感，已在前人研究中得到良好标定。通过薄片（厚度约20 nm）CrSBr的拉曼响应，研究人员标定了应变与激活电压的关系，观察到A_g¹模式随电压增加单调红移，最大达17 cm^-1。应变与电压呈近似线性关系，斜率为0.98 %/V。较厚样品（约40 nm）表现出多阶段演化：从均匀弹性应变到部分开裂再到完全机械失效。在低应变区，拉曼光谱与薄片样品趋势一致；在高达3%应变范围内，半高全宽（FWHM）变化可忽略，表明在激光光斑尺寸（约3 μm）内空间均匀性保持良好。超过3%后出现第二个峰（对应未应变状态），表明部分层间弛豫，光学图像确认了部分开裂。最终在59 V（约4%）时发生机械失效，FWHM从4.6 cm^-1显著展宽至10.8 cm^-1，表明失效后存在残余应变不均匀性。

4.2 低温兼容性验证

研究人员将CrSBr样品冷却至2 K评估低温兼容性。厚片（约70 nm）和薄片（约25 nm）均表现出随电压增加的线性红移。薄片保持均匀应变状态直至机械失效；厚片在失效前出现部分弛豫。厚片和薄片的最大检测应变分别为3.16%和2.16%。应变到失效值不仅受材料内在声子不稳定性控制，还受缺陷和位错等外在因素影响，导致样品间差异。该平台可在单次转移过程中支持多个样品，显著提高材料筛选通量。

4.3 循环加载可靠性验证

研究人员对样品进行0%至3%之间的多次应变循环测试。拉曼光谱未观察到与部分弛豫相关的次级峰出现，应变值在电压极值处可重复地达到最大值和最小值。FWHM在4.4至4.8 cm^-1之间随机分布，无明显变化，确认了应变传递的均匀性和PCL锚定的强粘附性，循环加载下滑移可忽略。电压与应变之间稳定的线性关系提供了内置标定：一旦建立该比例关系，电压本身即可作为应变指示器。

4.4 应变分布与线性应变梯度

研究人员对保持2%应变的悬空CrSBr薄片进行拉曼光谱空间映射。在间隙内，A_g¹模式表现出均匀红移，对应约2%单轴应变，无论扫描方向平行还是垂直于应变方向均保持一致。在边缘附近，应变分布略有变化：间隙边缘应变略降，横向边缘应变略增，这与锚定区和自由边界约束差异有关。从悬空区过渡到锚定区，应变从间隙边缘开始弛豫，形成对称的线性应变梯度。在固定间隙应变为4%、3%、2%时，弛豫区线性拟合显示应变梯度分别为0.071、0.061、0.052%/μm，表明应变梯度值与间隙应变直接相关。锚定长度可作为独立调控旋钮：较短的锚定长度（9 μm）产生增强的应变梯度，较长的锚定长度（38 μm）产生较小的应变梯度（约0.25%）。

4.5 多种过渡金属硫族化合物验证

研究人员将该应变方法扩展到三种不同结构相态的过渡金属硫族化合物（TMD）：六方2H-MoTe₂、单斜1T′-MoTe₂和正交T_d-WTe₂。每种材料的应变敏感拉曼模式均表现出对电压的线性依赖直至断裂点，确认了高效的应变传递。2H-MoTe₂和1T′-MoTe₂的断裂应变分别为2.5%和3.5%。在T_d-WTe₂中，研究人员沿a轴施加应变，达到5.5%的断裂应变值。T_d-WTe₂在弛豫态表现出四种主要光学模式：A₁³（110 cm^-1）、A₁²（120 cm^-1）、B₂（163 cm^-1）和A₁¹（211 cm^-1）。随应变增加，A₁³和A₁²模式在特定电压下重叠形成增强峰，同时新模式在135 cm^-1处逐渐增强。A₁¹模式在0–2%应变范围内线性红移，超过2%后劈裂为两个模式。密度泛函理论（DFT）计算很好地捕捉了这些拉曼模式的演化。高应变下A₁¹峰劈裂归因于光学活性A₁¹模式频率分离增加，从弛豫态的2 cm^-1增至5%应变时的12 cm^-1。

五、结论与意义

研究人员报道了一种高产率的器件制备方法，可实现高效、确定性的应变传递，完全兼容原位应变调控装置，适用于广泛的二维材料。以CrSBr为模型材料，研究人员展示了高达约4%的均匀单轴应变（仅受样品断裂限制），循环间滑移可忽略。在T_d-WTe₂中实现了5.5%的应变，为迄今最高值。除均匀应变外，该方法还建立了可控的线性应变梯度，延伸至40 μm以上且空间分布均匀，为系统研究挠曲电、挠曲磁及相关现象提供了机会。与传统方法相比，该方法保持相对平坦的平面几何，对应变上限无约束，具有近100%的转移成功率，且在低温下保持高效。该平台可提供连续、可逆的途径，在单一材料平台上探索应变依赖的电子结构、能带拓扑和涌现量子相。