基于原位电子显微技术的二维层状硫化钼压电效应调控机理研究

Two-dimensional materials are the building blocks for the next-generation wearable sensors due to their ultra-thin nanostructure, ultra-high electron mobility, and ultra-high mechanical properties. This project selects layered molybdenum disulfide (MoS2) with high mechanical strength and high piezoelectric coefficient as the key component of the flexible piezoelectric sensor. By setting-up a molybdenum disulfide-based piezoelectric sensor inside high resolution transmission electron microscope (TEM), this project aims to understand the fundamental role played by the external force field in piezoelectric performance manipulation. This project would achieve the following objectives: explore the sensor’s piezoelectric performance under various force loadings (type and polarization) as well as the force field induced structure/composition evolution; study the sensor’s sensitivity performance tuned by the metal/MoS2 nanostructure, crystal phase, defects and chemical compositions; understand the key parameters to improve piezoelectric sensitivity. This dynamic study of molybdenum disulfide-based piezoelectric sensor provides the fundamental understanding of the piezoelectric mechanism under external force field, and paves a way for the investigations into improving the sensitivity of molybdenum disulfide-based sensor for future high performance flexible devices.

二维材料因具有超薄（单原子层）、超高电子迁移率、超高机械弹性以及超大机械形变等特点，成为下一代可穿戴式传感器的新型功能材料。其中，二硫化钼因其机械强度高、压电系数高等优点，有望成为柔性压电传感器最具有潜力的敏感材料。本项目选择具有压电特性的二维层状硫化钼作为传感器的敏感材料，在纳米尺度下，利用高分辨透射电子显微技术原位构筑二硫化钼压电敏感单元，对其施加力场并动态监测电学性能，开展定量化应力/应变对二硫化钼压电特性调控的相关原理和方法研究。通过研究二硫化钼压电敏感单元在力场作用下的电学行为演化规律，分析金属/二硫化钼界面结构、晶相、缺陷、化学成分等对压电势垒的影响，探索应力/应变的大小、类型对二硫化钼能带结构的调控机制，研究提高二硫化钼压电灵敏度的关键条件。本项目旨在揭示二硫化钼压电性能的微观调控机制，为研发高灵敏度柔性二硫化钼压电传感器提供指导依据。

二维材料如二硫化钼、石墨烯等具有优异的力学特性和压力-电学响应，是新一代可穿戴式传感器的优选敏感材料。而二维材料的大面积、高稳定性生长，多功能压力传感器的构筑，以及压力传感器件的结构和性能的关系的高精度原位表征都是函待解决的重要问题。本项目搭建了高性能的原位透射电镜平台，能够实时施加电场和力场，力学位移控制达纳米级，电流的测量精度达到10飞安。该平台可以实现原子级空间分辨率表征纳米器件的微观结构和成分，同时可以原位施加电学信号并对器件施加变形。通过改善化学气相沉积法中生长衬底表面气态前驱体的输运状态，实现了大尺寸二维材料的稳定生长。本项目通过自组装的方法和离子交换自金属化方法实现石墨烯/氧化石墨烯异质结构和柔性衬底金属电极的制备，并进一步将两者组装为具有高灵敏度和高频率响应的柔性压力传感器。该传感器在柔性手套上阵列化集成，并与人工智能算法相结合，能够实现人体手势的智能识别。石墨烯/氧化石墨烯异质结构的高热膨胀系数差异，使该异质结构同时具有压力传感和执行的双模功能。在未来的全柔性、可集成和传感-执行一体化的柔性智能平台领域具有重要的应用前景。本项目还阐述了具有高分辨率和多场耦合的原位透射电子显微技术，在先进纳米器件的结构/性能的动态表征和操控中重要作用，综述了原位透射电子显微学在纳米器件领域取得的主要成果和进展。指明原位透射电子显微学对先进纳米器件的可控制备、性能调控和应用的重要意义。