清华大学清华-伯克利深圳学院刘碧录团队Adv. Funct. Mater.: 新型二维材料Bi2O2Se的力学性质

【引言】

新型二维半导体材料Bi₂O₂Se具有窄带隙，高电子迁移率和良好的空气稳定性等优良物理性质，在超宽带响应、高开关比、高探测度光电探测器以及高速低能耗忆阻器等高性能器件中显示出巨大的应用前景。另外，已有研究尝试制备基于二维Bi₂O₂Se的柔性光电探测器，这些器件在弯曲应变下仍能保持稳定的工作性能。研究二维材料的力学性质是拓展其在柔性可拉伸电子和光电器件领域应用的重要前提。虽然目前已有研究人员通过理论研究计算二维Bi₂O₂Se的力学性质，但目前为止仍未有在实验上测得其力学性质的报道，限制了该材料在柔性电子器件领域的进一步发展和应用。关键的挑战在于少层Bi₂O₂Se从生长基底到特定的目标基底的转移以进行力学性质的测试。因此开发一种可行的新方法以实现具有不同厚度Bi₂O₂Se的转移并测量其力学性质是使其在柔性电子和力学相关器件中得以广泛应用的关键。

【成果简介】

近日，清华大学清华-伯克利深圳学院（TBSI）刘碧录团队在实验上实现新型二维半导体材料Bi₂O₂Se力学性质的测量。该团队开发了一种以PDMS为介质的转移方法，将少层Bi₂O₂Se成功转移到目标基底上。PDMS介导转移方法是基于PDMS的辅助将少层Bi₂O₂Se直接从云母衬底上分离，并转移到不同的目标基底，如具有周期性微孔阵列的MEMS SiO₂/Si基底上。该转移方法依赖于PDMS的高粘合力和柔性，可以得到高保真度且具有不同厚度的悬空少层Bi₂O₂Se，包括低至3.2 nm（5层）的薄片。随后，研究人员使用AFM纳米压痕法对悬空少层Bi₂O₂Se的力学性质进行测量。实验结果表明，少层Bi₂O₂Se在二维半导体材料中具有较高的本征硬度，其值在18-23 GPa范围内。而少层Bi₂O₂Se的杨氏模量为88.7±14.4 GPa，且不随着其厚度的变化而变化。另外，二维Bi₂O₂Se可抵抗高达3％以上的径向应变，证明其具有良好的柔性。该研究首次报道了新型二维半导体Bi₂O₂Se力学性质的实验测量值，并为其在可穿戴柔性电子和光电器件领域应用的研究和探索奠定了基础。研究成果以“High-Fidelity Transfer of 2D Bi₂O₂Se and Its MechanicalProperties”为题，发表于AdvancedFunctionalMaterials。

该论文共同第一作者为清华大学清华-伯克利深圳学院（TBSI）陈文骏博士和Usman Khan博士，论文通讯作者为刘碧录副教授，论文作者还包括冯思敏博士，丁宝福博士和徐晓敏助理教授。该研究由中国博士后科学基金会，国家自然科学基金委，深圳市经信委、科创委和发改委等部门支持。

【图文导读】

图1. PDMS介导法与PMMA辅助法转移二维Bi₂O₂Se的对比

图2. PDMS介导法转移二维Bi₂O₂Se后的结构形貌表征

图3. 具有不同厚度二维Bi₂O₂Se的AFM纳米压痕测试及弹性响应

图4. 二维Bi₂O₂Se的力学性质

原文链接：

High-Fidelity Transfer of 2D Bi₂O₂Se and Its Mechanical Properties, Adv. Funct. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adfm.202004960

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202004960

本文由作者团队供稿。