西工大黄维院士团队在二维材料柔性力学传感方面取得系列进展

2021年11月30日 09:59  点击:[]

西工大新闻网11月30日电(许曼章)二维(2D)过渡金属硫族化合物(TMDs)作为新兴的无机材料体系,由于其独特的结构和物理化学性能,吸引了众多科研工作者的关注。单层2D TMDs材料理论上具有最小的弯曲刚度,可以满足柔性器件对电子功能材料能带结构的调控,因此被认为是柔性电子领域极具应用潜力的候选材料之一。

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1. 钒元素掺杂MoS2与层数无关的对称性破缺及MoS2柔性应变传感器。

近日,西北工业大学黄维院士团队王学文教授课题组在二维材料的制备、力学电学性能及柔性力学传感应用方面取得系列进展。揭示二维半导体材料的力学性能、力-电耦合性能及结构与电学性能的构效关系,是设计与实现高性能柔性力学传感器的关键。为此,课题组从2D材料力学性能的理论模型与研究方法出发,系统分析了2D材料在应变诱导下的能带结构调控理论及力-电耦合效应,总结了基于2D材料的柔性压力与应变传感器研究进展(InfoMat. 2020, 2, 1077–1094),概述了2D TMDs柔性晶体管、反相器、存储器、振荡器、气体传感器、光电探测器及压力和应变传感器的最新研究进展,并总结分析了该领域未来发展的机遇与挑战(Nano Res. 2021, DOI: 10.1007/s12274-021-3779-z)。

针对单层2D TMD材料在大面积可控制备、材料力电物理性能与机制明晰、柔性微器件加工与集成等方面挑战。课题组采用改进的CVD法制备了厘米级单层MoSe2薄膜(ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020, 12, 48161–48169);提出结合机器学习实现了低维材料的高效可控制备(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 43, 18103–18113);通过原子力显微镜(AFM)探针原位研究了单层MoS2力学性能及其在柔性衬底上界面相互作用,揭示了单层2D材料在柔性衬底上原子尺度的应变与恢复、弹性模量等力学性能(J. Phys. D: Appl. Phys. 2021, 54, 504006);通过二次谐波证明了元素掺杂的MoS2与层数无关的对称性破缺(Nanoscale, 2021, 13, 18103-18111)和Te材料的强各向异性偏振相关的非线性光学性质(Adv. Optical Mater. 2020, 8, 2001273),理论上证实了偶数层柔性压电传感器存在的可能性;提出了激光直写方式制备晶圆级图案化MoS2薄膜,实现了高性能柔性应力传感器,并验证了对人体脉搏波等健康信号的检测(iScience. 2021, 24, 11, 103313)。此外,课题组研制了可实现对人体血氧、血压、呼吸等重要健康信息实时、快速、精准监测的可穿戴柔性电子系统。该系列成果为二维柔性力学传感器研究提供重要的理论和技术支撑。

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2. 原子级厚度2D材料的制备、表征、性能与柔性传感应用验证。

上述工作得到了国家重点研发计划(2020YFB2008501)、国家自然科学基金(11904289)、陕西省自然科学基金(2019JQ-613)、陕西省重点研发计划项目(2020ZDLGY04-08、2020GXLH-Z-027)、宁波市自然科学基金项目(202003N4003)、中央高校基本科研业务费、西北工业大学翱翔海外学者等经费的支持下。(审核:王学文)


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