超强度原子薄膜弹性应变工程的理论和计算探索

对材料的精细调控在基础物理研究和新技术开发等方面都具有决定性的意义。近年来可以承载极大应变的超强度原子薄膜材料的出现，为通过弹性应变工程调控其量子和输运行为提供了前所未有的空间。虽然对这种原子尺度薄膜力学性质的研究已经有了一些工作，但是，对这一系列新材料的物理和化学性能的研究，特别是其弹性应变工程，尚还刚刚起步。本研究项目计划采用多物理和多尺度的计算模拟方法，针对超强度原子薄膜的力学性质、结构形态、电子结构以及输运行为开展系统研究，可望在理论上丰富我们对这一新兴材料的认识。基于本项目的研究，我们将设计通过弹性应变对原子薄膜的性能和功能的精细调控，为将探索其在能源和微电子等战略领域中的应用提供重要的支持。同时，本课题还将针对原子薄膜材料模拟的需要，发展新的计算方法，用以准确描述其力学行为和电子结构，推动计算物理和材料模拟方法学的进一步发展。

对材料的精细调控在基础物理研究和新技术开发等方面都具有决定性的意义。近年来可以承载极大应变的超强度原子薄膜材料的出现，为通过弹性应变工程调控其量子和输运行为提供了前所未有的空间。本研究项目采用了多物理和多尺度的计算模拟方法，并与实验组展开合作，针对超强度原子薄膜的力学性质、结构形态、电子结构以及输运行为开展了系统研究。.. 采集太阳能并将之转变为电能一直以来都是一个极为重要的课题。我们通过在单层二硫化钼中的应变构造所谓的“太阳能漏斗”，为这一个课题提供了全新的视角。这项工作发表在《自然-光学》[Nature Photonics 6, 886-872 (2012)]上。这个工作中，我们从理论上提出，可以通过应变工程调控半导体中载流子的运动。在接下来的两年中，我与俞大鹏实验团队合作，在ZnO微/纳米线中实现了这一设想的实验突破。我们通过建立基于泊松-波尔兹曼方程的理论模型，并通过数值模拟，建立了应变梯度对激子的驱动效应所的机制。该结果发表在纳米科技领域的顶级刊物《先进材料》(Advanced Materials 2014, 26, 2572, Xuewen Fu, et al.)上。随后，通过与瑞士洛桑理工大学的Benoit Deveaud教授课题组开展合作，首次从实验上直接观察到了前面工作预言的应变梯度对激子的驱动效应，确立了半导体中应变梯度的重要作用，即应变梯度可有效用于调控半导体激子和载流子动力学特性,这对于设计开发各种新型半导体光电子器件具有十分重要的指导意义。该结果发表在纳米科技领域的顶级刊物《ACS Nano》(ACS Nano 2014, 8 (4), 3412.Xuewen Fu, et al.) 上。这是迄今国际上为数不多的在超高时空分辨条件下研究半导体材料载流子动力学效应的研究工作，也是我国在此研究方面唯一的报道工作。在这一系列进展的基础上，我们(俞大鹏，冯济，Jame Hone)应邀MRS Bulletin撰写 Perspective综述一篇。我们的研究丰富了对这一类新兴材料的认识，并将为将探索其在能源和微电子等战略领域中的应用提供重要的支持。