High-magnitude, spatially and directionally programmable, and sustained strain engineering of 2D semiconductors

想象一个这样的世界：驱动我们电子设备的材料不再是厚实的硅块，而是薄到只有单层原子厚度的薄片。这些超薄材料被称为二维半导体，它们极其坚韧且具有柔韧性，能够在不破裂的情况下进行拉伸。科学家们早已知道，如果拉伸这样一种材料，就可以改变其导电性能以及它与光相互作用的方式。这类似于拉伸橡皮筋会改变其形状，但在这些原子层中，拉伸实际上重写了材料内部能量的规则。如果工程师能够精确控制这种拉伸，他们就能制造出更快的计算机和更高效的太阳能电池。然而，直到现在，用于拉伸这些材料的方法仍然非常笨拙。它们要么只能进行微小的拉伸，要么可以进行大幅度拉伸，但只能维持几秒钟，随后就会弹回原状或失去形状。目前还没有办法既能保持强力的拉伸状态，又能精确决定在何处拉伸以及向哪个方向拉伸。

一组研究人员通过创造一种新方法解决了这个问题，这种方法可以将这些原子层保持在拉伸状态长达数月之久，并能实现对拉伸的完全控制。他们通过在表面上打印微观景观，然后将原子层像床单盖在床垫上一样覆盖其上来实现这一目标。研究人员使用了一种特殊的打印技术，可以创建具有精确形状的微型三维谷地。他们取了一层名为二硫化钼（一种常见的半导体）的材料，并将其小心地转移到这些打印表面上。由于该材料非常薄且具有柔韧性，它完美地贴合并延伸到了谷地的轮廓之中。通过改变这些谷地的深度和宽度，团队可以精确控制材料的拉伸程度。在某些区域，材料被拉伸了约 2.2%，对于如此薄的材料来说这是一个显著的数值，而且这种拉伸状态在八个多月内保持稳定。

这种方法的威力在于其精确性。研究人员不仅是均匀地拉伸整个薄片，还创造了一个拉伸量随位置逐渐变化的景观。他们对此进行了绘图，并发现每移动一个微米，拉伸量就会变化约 0.1%。这意味着他们可以创造出平滑的应变梯度，从而使同一片微小材料的不同部分表现出不同的特性。在材料拉伸最明显的区域，研究人员测量了材料的能隙（即电流流动的阈值）的变化。他们发现能隙偏移了约 0.4 电子伏特，这达到了该材料自然能量范围的四分之一。这证实了通过仅仅改变下方的表面形状，他们就可以局部调节材料的电子特性。

除了能同时向所有方向拉伸材料外，团队还展示了他们也可以仅在一个方向上进行拉伸。通过打印长条形的沟壑而非圆形的谷地，他们迫使材料沿沟壑的长度方向比横向拉伸得更多。这很重要，因为单向拉伸改变材料属性的方式与全向拉伸不同。他们演示了可以在同一片材料上将一个圆形谷地和一个长条形沟壑并排放置，从而在同一片材料上创造出两种不同的拉伸环境。在圆形谷地中，材料向各个方向均匀拉伸；而在沟壑中，材料主要沿一个方向拉伸。这种在单片材料内编程控制拉伸量和拉伸方向的能力，为在微观尺度上设计复杂的电子电路开辟了新的可能性。

研究人员还在由二硫化钼和二硫化钨组成的双层原子片堆叠结构上测试了这种方法。他们发现，直接接触打印表面的底层比顶层拉伸得更多。这是因为两层材料之间可以发生轻微的滑动，这种现象被称为层间滑动。这一观察结果至关重要，因为它表明该方法即使在处理构建先进设备时常用的复杂材料堆叠时也同样有效。团队使用多种工具验证了他们的结果。他们使用激光测量原子的振动以确认拉伸情况，并使用微型电极探针测量材料的导电性。他们还使用了计算机模拟来预测材料的行为，而其实际测量结果与这些预测高度吻合。

这项工作的显著特征之一是结果的稳定性。许多以往尝试拉伸此类材料的方法都依赖于会迅速消退的临时力量。在本研究中，研究人员在四个月后和八个月后再次检查了样本。拉伸状态保持完全一致，没有出现材料松弛或失去形状的迹象。这种长期稳定性表明，该方法可以用于制造需要长期可靠运行的真实设备。用于打印微观景观的材料是透明的，这使得研究人员能够在不受任何干扰的情况下观察并测量原子层。虽然目前的打印材料是一种聚合物，但研究人员指出，类似的技术也可以用于那些会转化为玻璃的材料，这将使该方法更适合未来的电子设备。

这项工作代表了从仅仅观察这些材料的行为向主动设计其行为的转变。通过将材料下方的表面视为一种可编程的工具，研究人员创造了一种能够以高精度设计这些薄片电子和光学特性的方法。他们已经证明，可以创造出强力且持久的拉伸，并且这种拉伸是可以根据特定需求进行定制的——无论是均匀拉伸、单向拉伸，还是在表面上创造平滑的拉伸梯度。这种控制水平可能会导致开发出新型传感器、太阳能电池和计算机芯片，它们将比传统材料更轻、更高效，并能执行目前传统材料无法完成的任务。这种能够让材料在拉伸状态下保持数月而不弹回的能力，意味着这些工程化的特性不仅仅是一个转瞬即逝的实验，而是可以构建在下一代技术中的持久特性。