应变工程——解锁二维材料“多面超能力”的金钥匙

搁浅

应变工程——解锁二维材料“多面超能力”的金钥匙（DOI: 10.1002/adma.202205714）

一、二维材料为什么需要“拉一拉”？

石墨烯、MoS₂、WSe₂、h-BN 等二维材料只有原子级厚度，却拥有传统三维材料难以匹敌的电、光、磁、力学性能。然而，它们的能带结构、晶格常数和电子关联效应对外部扰动极度敏感——“轻轻一拉”，就能让带隙开合、超导出现、磁性翻转、发光峰位移。这正是“应变工程”（strain engineering）的核心魅力：用机械形变作为“旋钮”，精准、可逆、可扩展地调控物性。

二、最新“拉”法盘点

聚合物封装：将单层 MoS₂ 用 PVA 旋涂包裹，滑移几乎为零，1% 应变即可带来 136 meV 带隙调节，效率翻倍。局域应力薄膜：在目标薄片上方沉积应力 SiNₓ 薄膜，实现“一片一应变”，0.85% 压缩即可调制 MoS₂ 带隙 75 meV，完全兼容 CMOS 工艺。氢离子鼓泡：质子轰击+退火，在 MoS₂ 表面生成 7–8 % 的双轴鼓包，局部应变接近断裂极限。AFM 可编程纳米气泡：用原子力显微镜尖端写入石墨烯，形成尺寸、位置可控的纳米鼓包，为量子磁光实验提供全新平台。CVD 原位应变：利用衬底与二维材料热膨胀系数差异，在 CVD 生长过程中直接“锁”住应变，一次生长即可永久保留，迁移率提升两个数量级。

图1. 新型应变引入方法

三、应变带来的四大“超能力”

电学：

• 石墨烯双层的赝磁场高达 60 T，出现平面霍尔效应；

• MoS₂ 单层的压电输出 15 mV/20 pA，机电转换效率 5%；

• MoTe₂ 的 2H-1T′ 相变阈值随应力线性可调，为超低功耗相变晶体管奠基。

图 2.电学性质的应变调控

超导：

• FeSe/SrTiO₃ 单原子层在 1% 拉伸下 Tc 升至 75 K，创下单层铁基超导纪录；

• NbSe₂ 在绝缘衬底上逐层应力可调，实现超导-绝缘体连续过渡。

图 3.超导性的应变调控

磁学：

• A 型反铁磁 CrSBr 在 4 K 下 3 % 单轴拉伸即可可逆切换 AFM-FM，零磁场磁控成为现实；

• Cr₂Ge₂Te₆/NiO 异质结因界面应力提升 Tc 至 120 K，垂直各向异性倍增。

图 4.磁性的应变调控

光学与量子光源：

• 应变局域化 + 缺陷工程，WSe₂ 单光子源纯度 >95%，工作温度 150 K；• 鼓包/纳米柱阵列实现“阵列化量子光源”，为片上量子通信提供大规模单光子芯片；

• MoS₂/VO₂ 应变梯度诱导“柔性体光伏”效应，体光伏系数比传统铁电体高 2–3 个数量级。

四、应变工程在器件中的落地场景

• 柔性可穿戴：PVA 封装+PET 弯曲，实现可穿戴光探测与能量收集一体化。

• 量子芯片：AFM 可编程纳米鼓包可集成于超导量子比特，实现片上可调磁通。

• 超快存储：MoTe₂ 应力相变晶体管，编程电压 <1 V，开关时间 <1 ns。

• 高能电池：VOPO₄/石墨烯异质结“零应变”正极，K⁺ 电池能量密度 570 Wh kg⁻¹。

• 超低能耗计算：利用 CrSBr 的应力控制磁隧道结，实现无磁场、低功耗自旋存储。

五、未来展望

应力调控从“宏观”走向“原子级”：结合机器学习反向设计应力图案，实现晶格、轨道、自旋、电荷四重自由度协同调控。异质结应力传递机制：厘清层间滑移、扭转角与应力释放的关系，建立“应力-转角”相图。多场耦合实验平台：将压电衬底、光场、电场、磁场集成于同一芯片，构建“应力-光电-自旋”原位测试闭环。标准化评估体系：建立涵盖响应速度、线性动态范围、量子效率等 6 项关键指标的二维柔性光电器件评价体系，推动产业化。

结语应变工程已不只是一个“锦上添花”的调控手段，而是二维材料走向高性能、多功能、大规模应用的核心“操作系统”。从实验室的“微米鼓包”到晶圆厂的“CMOS 兼容应力薄膜”，从单光子源到超导存储器，应变这把“无形之手”正在重塑下一代电子、光子和量子技术的版图。