近日，西北工業大學黃維院士團隊王學文教授課題組在二維材料的制備、力學電學性能及柔性力學傳感應用方面取得系列進展。

二維（2D）過渡金屬硫族化合物（TMDs）作為新興的無機材料體系，由于其獨特的結構和物理化學性能，吸引了眾多科研工作者的關注。單層2DTMDs材料理論上具有最小的彎曲剛度，可以滿足柔性器件對電子功能材料能帶結構的調控，因此被認為是柔性電子領域極具應用潛力的候選材料之一。

圖1 釩元素摻雜MoS2與層數無關的對稱性破缺及MoS2柔性應變傳感器

揭示二維半導體材料的力學性能、力-電耦合性能及結構與電學性能的構效關系，是設計與實現高性能柔性力學傳感器的關鍵。為此，課題組從2D材料力學性能的理論模型與研究方法出發，系統分析了2D材料在應變誘導下的能帶結構調控理論及力-電耦合效應，總結了基于2D材料的柔性壓力與應變傳感器研究進展（InfoMat.2020,2,1077–1094），概述了2DTMDs柔性晶體管、反相器、存儲器、振蕩器、氣體傳感器、光電探測器及壓力和應變傳感器的最新研究進展，并總結分析了該領域未來發展的機遇與挑戰（NanoRes.2021,DOI:10.1007/s12274-021-3779-z）。

針對單層2DTMD材料在大面積可控制備、材料力電物理性能與機制明晰、柔性微器件加工與集成等方面挑戰。課題組采用改進的CVD法制備了厘米級單層MoSe2薄膜（ACSAppl.Mater.Interfaces.2020,12,48161–48169）；提出結合機器學習實現了低維材料的高效可控制備（J.Am.Chem.Soc.2021,143,43,18103–18113）；通過原子力顯微鏡（AFM）探針原位研究了單層MoS2力學性能及其在柔性襯底上界面相互作用，揭示了單層2D材料在柔性襯底上原子尺度的應變與恢復、彈性模量等力學性能（J.Phys.D:Appl.Phys.2021,54,504006）；通過二次諧波證明了元素摻雜的MoS2與層數無關的對稱性破缺（Nanoscale,2021,13,18103-18111）和Te材料的強各向異性偏振相關的非線性光學性質（Adv.OpticalMater.2020,8,2001273），理論上證實了偶數層柔性壓電傳感器存在的可能性；提出了激光直寫方式制備晶圓級圖案化MoS2薄膜，實現了高性能柔性應力傳感器，并驗證了對人體脈搏波等健康信號的檢測（iScience.2021,24,11,103313）。此外，課題組研制了可實現對人體血氧、血壓、呼吸等重要健康信息實時、快速、精準監測的可穿戴柔性電子系統。該系列成果為二維柔性力學傳感器研究提供重要的理論和技術支撐。

圖2 原子級厚度2D材料的制備、表征、性能與柔性傳感應用驗證

上述工作得到了國家重點研發計劃（2020YFB2008501）、國家自然科學基金（11904289）、陜西省自然科學基金（2019JQ-613）、陜西省重點研發計劃項目（2020ZDLGY04-08、2020GXLH-Z-027）、寧波市自然科學基金項目（202003N4003）、中央高校基本科研業務費、西北工業大學翱翔海外學者等經費的支持下。