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。
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2DTMDs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。
图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
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2DTMDs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（NanoRes.2021,DOI:10.1007/s12274-021-3779-z）。
针对单层2DTMD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（ACSAppl.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.OpticalMater.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。
图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。