柔性电子在可穿戴电子、电子皮肤、医学检测、物联网等领域发挥着核心作用。最近，2D材料在柔性器件的应用中引起了相当大的兴趣。由于原子薄厚度和无悬键表面，2D材料可以很容易地集成在各种弹性衬底上通过简单的转移过程，无需困扰块材晶体的传统结构匹配和加工兼容性。再加上它们更高的载流子迁移率和出色的透射率，已经使用2D材料展示了高性能柔性器件。然而，与其他无机晶体类似，2D柔性器件的潜力仍然受到其低本征柔性的限制，因为每个原子在层状平面内都是共价键合的。为了提高2D基电子器件的柔性，人们在设计耐变形结构或应变释放结构方面取得了相当大的成果。然而，这些耐变形结构需要复杂的制造工艺，并且存在互连断裂或低集成密度的问题。此外，通过2D晶体与柔性衬底之间的界面滑动，展示了2D材料的应变-释放方法。尽管应变-释放方法已显示出良好的潜力，但通过这种方法制造功能性柔性2D器件具有挑战性，尚待证明。主要限制存在于金属-2D界面，这对于2D器件来说是必不可少的，但通常表现出很强的界面力并且难以滑动。有鉴于此，近日，湖南大学刘渊教授团队报道了一种用于有效应变释放的滑动接触器件结构。通过制造具有范德华(vdW)间隙的弱耦合金属-2D结，可以通过界面滑动有效释放施加的应变，因此最小化的应变转移到2D晶格。因此，观察到稳定的器件行为，电极拉伸超过110%，远高于使用蒸发金属接触的2D器件。此外，通过多周期应变-释放测量，可以发现电极在滑动过程中仍以几乎恒定的接触电阻形成紧密接触，同时证实了器件柔性和电学性能的优化。最后，本文证明了这种vdW滑动接触是一种通用的器件几何，可以很好地扩展到各种2D或3D材料，从而使器件具有更高的应变容限。文章以“Strain Releasing of Flexible 2D Electronics through van der Waals Sliding Contact”为题发表在著名期刊ACS Nano上。图1. vdW滑动接触和蒸发接触的示意图和光学图像。（a）无应变（上）和有应变（下）的vdW滑动接触示意图。（b）vdW滑动电极器件在不同电极拉伸值下的光学图像。（c）蒸发接触器件的应变过程示意图。（d）蒸发电极器件在不同电极拉伸值下的光学图像，在7%的小拉伸值下可以观察到连续的裂纹。图1显示了具有vdW滑动接触的2D器件的器件结构和光学图像。为了制造该器件，首先将少层石墨烯机械剥离到聚酰亚胺(PI)衬底上。接下来，在牺牲硅晶圆上预制一个50 nm厚的Au电极对，然后使用先前开发的方法进行机械释放。释放的Au电极在显微镜下进一步对齐并物理层压在石墨烯的顶部，从而产生弱耦合的Au-石墨烯vdW接触（图1a和b）。为了比较，使用传统的热蒸发沉积将另一对Au电极直接沉积在石墨烯薄片上，导致具有强相互作用和键合力的金属-2D接触，如图1c所示。在器件结构中，通过使用定制设计的两点弯曲装置弯曲柔性PI衬底直接施加应变。由于这些层之间的弱粘附性及其独特的杨氏模量，应变分布不均匀，施加在PI衬底上的应变不能有效地转移到顶部石墨烯和Au层。因此，为了准确反映真实的电极滑动行为，不使用从先前的弯曲曲率方法计算的衬底应变。相反，使用光学显微镜直接测量了两个电极之间的间距，电极拉伸值可以使用方程(L-L0)/L0计算，其中L和L0是应变和未应变的电极间距。对于vdW接触器件，电极拉伸至115%（对应于~30%的PI衬底应变），石墨烯沟道在应变过程中保持完整，没有可观察到的损坏或裂缝。重要的是，石墨烯几乎没有应变，在拉伸过程中电极可以在石墨烯表面滑动，因为它们位于不同应变水平下的不同石墨烯区域。这种有趣的行为主要归因于石墨烯和Au之间的弱相互作用vdW界面，它可以很容易地相互滑动，类似于使用层状晶体进行润滑应用的机制。2D电子器件的vdW滑动接触概念尚未得到证实，因此，本文可以实现115%的最高电极拉伸，远高于以前使用蒸发接触的2D器件。随着应变进一步增加，Au电极本身最终会破裂。另一方面，使用直接沉积金属的对照器件在相同的实验条件下进行应变，进行公平比较。电极的拉伸距离为7%，石墨烯在沟道区域内明显破裂，如图1d所示。这种行为是意料之中的，因为蒸发的金属可以与下面的2D材料形成强大的结合力，并且一旦制造，沉积的界面就不能分离以进行进一步的滑动。这里的观察结果也与之前的研究一致，使用蒸发金属作为夹具来固定2D材料（在柔性衬底上）可以有效地将衬底应变转移到2D晶格。图2. 应变释放过程的原位电学测量。（a）具有vdW滑动接触的石墨烯器件的对数刻度I-V输出曲线，展示了在电极拉伸下的稳健电学性能，并表明在应变下的紧密Au-石墨烯接触。（b）器件总电阻与电极拉伸值之间的关系，其中电阻变化可归因于石墨烯沟道长度增加。（c）蒸发接触器件的对数刻度I-V输出曲线。（d）vdW滑动接触在初始状态下和经过10个应变-释放过程循环后的光学图像，其中器件结构保持不变。（e&f）I-V输出曲线和在多周期应变-释放过程下提取的总电阻。vdW金属接触不仅可以作为有效的应变释放器，还可以在应变过程中原位测量器件的电学性质。为了进行实验，两个钨探针在弯曲装置下与vdW电极直接接触，整个测量在大气环境中进行。如图2a所示，I-V输出曲线在0%至115%的电极拉伸值下显示出线性行为和稳定的电流，表明石墨烯沟道在应变过程中保持良好，没有任何裂纹。重要的是，器件的总电阻（Rtotal）随着电极拉伸距离增加而增加，这主要归因于石墨烯沟道长度增加，从而增加了沟道电阻。如图2b所示，Rtotal随电极距离线性增加，表明金属-2D接触电阻在不同的电极拉伸水平下保持相对稳定，无论金属实际上接触不同的石墨烯区域。还注意到接触面积变化（在滑动期间）对整体接触电阻的贡献很小，因为金属-石墨烯重叠长度远大于石墨烯的典型接触长度。该观察结果进一步证实了紧密接触，没有任何气隙或残留物。与此形成鲜明对比的是，对照器件（使用蒸发电极）的电流在3%电极拉伸时显著降低了两倍（从4 μA到1.8 μA）（图2c），表明应变诱导的缺陷或小裂缝已经影响载流子传输路径，即使它们不能从光学图像中直接观察到。随着将电极距离进一步拉伸到7%，器件开路，电流不可测量（~10 pA，设备噪声电流水平），表明石墨烯沟道中形成了连续裂纹，与光学图像一致。为了进一步研究滑动接触的稳定性，进行了多循环应变-释放实验。如图2d-f所示，该器件在0%时表现出150 Ω的总电阻，在30%电极拉伸时增加到180 Ω。通过多次施加和消除应变，电极总是可以滑回其原始位置（图2d），这表明滑动接触是一个稳健的过程。同时，经过1000次原位应变-释放测量循环后，总器件电阻始终可以恢复到其原始值，表明连续滑动过程不会改变石墨烯的本征性质，也不会损坏顶部石墨烯表面。图3. 不同电极拉伸水平下的拉曼光谱测量。（a）用于原位拉曼光谱测量的应变器件的示意图。（b）零应变下聚合物衬底和石墨烯沟道的拉曼光谱。（c&d）具有vdW滑动接触的器件在不同电极拉伸值下的拉曼光谱和G峰位置。（e&f）不同应变下蒸发接触器件的拉曼光谱和G峰位置。为了进一步确认vdW接触几何结构中的接触滑动和应变-释放机制，进行原位拉曼测量以直接监测石墨烯沟道的晶格应变，如图3a所示。根据文献，由于石墨烯晶格对称性的改变，石墨烯的G峰随着施加单轴拉伸应变而红移，而随着压缩应变而蓝移。如图3b所示，石墨烯在零应变下在1579 cm-1处显示G峰，在2652 cm-1处显示2D峰，较高的G峰强度表明其少层性质。随着电极拉伸到3%的距离，vdW接触器件表现出从1579.6到1574.1 cm-1的有限G峰值偏移（5.5 cm-1红移，图3c和d），对应于0.44%的石墨烯晶格应变。这种少量的应变加载部分与先前的有限应变传递文献一致，并且在不同的应变循环中是可重现的。随着将电极进一步拉伸至3%以上，石墨烯的G峰不会改变，这表明衬底和电极的应变将不再转移到石墨烯晶格。在这个电极拉伸区域（3%到91%）内，界面滑动可以主导衬底-石墨烯和Au-石墨烯界面。因此，可以在不影响石墨烯沟道的情况下有效释放外在应变。与此形成鲜明对比的是，拉曼光谱的演变证明了以蒸发电极作为金属夹的对照石墨烯器件的不同行为。如图3e和f所示，G峰在3%电极拉伸时产生9.8 cm-1的更大红移，这大约是滑动接触器件的两倍，表明应变被有效转移。重要的是，随着电极拉伸率增加到6%，石墨烯的G峰继续红移并逐渐分裂成两个不同的子峰（G+和G-），表明应变不是均匀地施加在整个样品。不均匀应变主要是由于在高应变下产生小裂纹，部分释放了局部应变。最后，将电极拉伸到7%，G峰突然向后移动超过35 cm-1并恢复到其原始位置而没有应变（从1543.5 cm-1到1578.1 cm-1），表明沟道内发生连续裂纹，石墨烯应变被完全释放。图4. 其他2D和3D材料的vdW滑动接触。（a）3D金属Au和2D半导体MoS2之间的滑动接触。（b）3D金属Ag（具有Au封盖）和2D绝缘体BN之间滑动接触的光学图像，通过界面滑动可以实现最高127%的应变容限。（c）3D金属Pt和3D半导体CsPbBr3之间滑动接触的光学图像，通过界面滑动可以实现117%的最高应变容限。（d）2D金属VSe2和2D半导体WSe2之间滑动接触的光学图像，通过界面滑动可以实现最高115%的应变容限。这种简单的vdW滑动接触概念不仅限于Au-石墨烯结，还可以很好地扩展到其他vdW结，实现有效的应变释放。为了证明这一点，将这种vdW滑动接触方法应用于其他2D和3D材料，并使用其他金属电极。例如，少层半导体MoS2的形态保持完整，Au电极拉伸超过129%（图4a），展示了高度柔性的MoS2器件。同样，对于具有Ag-BN、Pt-CsPbBr3和VSe2-WSe2 vdW金属-半导体滑动接触的其他器件，测得的器件应变容限分别为127%、117%和115%，如图4b-d所示。这些结果表明滑动接触是一种通用的接触几何结构，可用于构建高度柔性的器件。本文展示了一个vdW滑动接触概念，该概念可以通过弱耦合金属-2D界面释放外在应变。通过对柔性器件施加应变，滑动接触器件展示了未损坏的2D沟道和稳定的电学行为，应变容限超过110%，远高于对照的蒸发接触器件和之前的蒸发接触结果。此外，本文还进行了多循环应变-释放测试，并确认滑动接触是一个稳健的过程，不会改变石墨烯的本征性质，也不会损坏顶部石墨烯表面。通过原位拉曼光谱测量进一步支持了接触滑动和应变-释放机制。金属-半导体滑动接触几何也有望激发金属-半导体滑动过程中基础物理的研究，例如压电电子学、载流子传输、自旋注入或激子弛豫等。Strain Releasing of Flexible 2D Electronics through van der Waals Sliding Contact(ACS Nano, 2022, DOI:10.1021/acsnano.2c06214)文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c06214上海昂维科技有限公司现提供二维材料单晶和薄膜等耗材，器件和光刻掩膜版定制等微纳加工服务，以及各种测试分析，欢迎各位老师和同学咨询，竭诚做好每一份服务。
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