Strain engineering van 2-D halfgeleider en grafeen

Strain engineering verwijst meestal naar een soort materiaalverwerkingstechnologie die tot doel heeft de eigenschappen van materialen te reguleren of de prestaties van gerelateerde apparaten te optimaliseren door inherente of externe belasting. In de afgelopen jaren, met de ontwikkeling van 2-D-materialen, is het onderzoek rond strain-engineering van 2-D-materialen (overgangsmetaaldichalcogeniden) [TMDCs], grafeen, etc.) heeft veel aandacht getrokken. Vergeleken met strain-engineering van traditionele bulkmaterialen, maakt de atomaire dikte van 2-D-materialen ze geschikter om te dienen als platform voor strain-engineering-onderzoek en vormt het een brug tussen strain-engineering en nanofotonica. Daarom verdienen ze de aandacht vanuit vele gezichtspunten, van fundamentele fysica tot praktische toepassingen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Licht: wetenschap en toepassingenheeft een team van wetenschappers onder leiding van dokter Dangyuan Lei van het Department of Materials Science and Engineering, City University of Hong Kong, China, en collega’s een overzichtsartikel geschreven om de recente ontwikkelingen op dit snelgroeiende gebied uitvoerig samen te vatten. In dit overzichtsartikel wordt de traditionele macroscopische rekveldtheorie als eerste geïntroduceerd. Vervolgens worden de veranderingen in de bandstructuur van gespannen 2-D halfgeleiders (TMDC’s) en gespannen grafeen besproken, terwijl de optische reacties die onder verschillende soorten spanningsvelden worden waargenomen, worden besproken. Vervolgens vat dit artikel de stamtechnieken samen die verschillende soorten stammen kunnen toepassen op specifieke 2-D materialen. Aan het einde van dit artikel worden de diverse toepassingen in optische apparaten, opto-elektronica en andere fotonicatoepassingen gepresenteerd, en worden respectievelijk de bestaande problemen op dit gebied en hun toekomstige ontwikkeling voorspeld.

Traditionele stamtechniek richt zich voornamelijk op silicium, germanium en andere 3D-bulkmaterialen, die meestal een hoge breuksterkte missen vanwege hun intrinsieke 3D-eigenschappen. Nieuw ontwikkelde 2-D-materialen met atomaire dikte (zoals grafeen, TMDC’s) zijn nu het veld betreden. Hun stamtechniek is uitgebreid bestudeerd in zowel de wetenschappelijke gemeenschap als de industriële samenleving. Vergeleken met de traditionele 3D-materialen, geven de 2-D-kenmerken van 2D-materialen ze een aantal heel andere en nieuwe kenmerken, waardoor hun stamtechniek aantrekkelijker wordt. Deze wetenschappers vatten die unieke eigenschappen van 2-D-materialen samen:

“Op basis van de volgende drie punten denken we dat 2D-materialen een perfect platform zijn voor stamtechniek: (1) 2D-materialen hebben betere mechanische eigenschappen (vervormingscapaciteit), wat betekent dat ze een grotere belasting kunnen verdragen voordat ze breken in vergelijking met bulk materialen; (2) 2D-materialen hebben betere optische eigenschappen vanwege hun sterke excitoneffecten, wat hun verdere toepassingen in fotonica-apparaten ten goede komt; en (3) 2-D materialen hebben meer variabele vervormingspatronen. Door hun atoomdikte-eigenschappen kunnen ze een uit het vlak bestaande rek bereiken, wat bijna onmogelijk is in 3D-bulkmaterialen, waardoor 2D-materialen meer vervormingspatronen kunnen hebben, zoals uniaxiale en biaxiale in-plane spanning, rimpel, vouw , en gelokaliseerde niet-uniforme spanning.”

“Omdat de soorten toegepaste spanning variëren, zijn de veranderingen in elektrische en optische eigenschappen verschillend. In het algemeen kunnen we de roodverschoven (blauwverschoven) PL-spectra observeren van de trek (compressieve) gespannen 2-D TMDC’s. Evenzo kunnen we de verschuiving en splitsing van de Raman-spectra van gespannen grafeen waarnemen. Bovendien komen veel nieuwe optische reacties, zoals ’trechter’-effect, emissie van één foton en afstembare tweede-harmonische generatie, naar voren onder een speciale spanningsverdeling.” voegden ze eraan toe.

“Er zijn verschillende technologieën om stammen toe te passen op 2D-materialen. Gebaseerd op het type geïnduceerde stam, hebben we ze gewoonlijk in drie categorieën ingedeeld, namelijk de uniaxiale stamtechnologieën, biaxiale stamtechnologieën en lokale stamtechnologieën. We zouden meer aandacht moeten besteden aan lokale stamtechnologieën. Ze bieden eigenlijk een nieuwe manier om fotonen in een ultraklein gebied te controleren. Concluderend openen de flexibiliteit en optische eigenschappen van 2-D-materialen (in vergelijking met hun omvangrijke tegenhangers) de deur voor de ontwikkeling van mogelijk belangrijke nieuwe, door spanning ontworpen fotonische toepassingen,” concluderen de wetenschappers.