2025, Nano Letters——可视化“拉扯”石墨烯——纳米尺度应变工程的新范式

摘要

在二维材料中实现原子晶格的局域应变诱导与表征，并将其控制在仅数纳米的空间范围内，是应变电子学（straintronics）发展的重大挑战。在本研究中，作者利用硅纳米颗粒（Si nanoparticles）与石墨烯/Ru(0001) 表面的相互作用，在石墨烯中引入局域应变场。借助扫描隧道显微镜（STM），研究团队以石墨烯/Ru(0001)表面固有的莫尔条纹（moiré pattern）作为“放大镜”，在纳米尺度上绘制出了应变场分布图。结果显示，应变仅限于每个纳米颗粒周围几纳米的范围内。进一步地，研究人员利用STM探针对这些纳米颗粒进行可控操控，实现了在纳米尺度上对石墨烯应变的精准调制。该工作展示了一种新型的局域应变调控方法，为探索二维材料中应变诱导新物理现象提供了关键实验手段，也为未来的应变电子学器件奠定了技术基础。

研究背景和主要内容

石墨烯的抗拉强度为 130 GPa，杨氏模量为 1 TPa，是目前最坚固的材料。这种前所未有的机械性能源于其 C-C 键的强度，这使得这种二维材料能够承受近 30% 的可逆拉伸应变。这一特性非常重要，因为引入应变会导致键长和键角发生变化，从而引起该材料原子晶格的大小和对称性发生变化，进而引起其电子、振动、磁性、光学和拓扑性质的变化。

通过诱导可控应变来精确控制这些特性，这是应变电子学这一研究领域的重点，也是目前二维材料领域面临的主要挑战之一。然而，尽管应变工程对石墨烯性能的影响在过去十多年里引起了人们的极大兴趣，旨在开发精确工程方法的研究已经滞后，因此，仍需在纳米尺度上对局部晶格形变进行精确控制。在这方面，此类方法的开发将是充分发挥应变电子学巨大潜力的关键，它能够实现可控且精确的实验，从而研究由应变引起的各种新特性。

在各种应变工程方法中，广泛使用的一种方法是将石墨烯放置在柔性基底上，并通过拉伸或弯曲使后者产生应变。在更复杂的变体中，石墨烯被放置在压电材料上，然后通过施加电场使其变形。这些技术的主要缺点是缺乏局部选择性（非局部应变），以及石墨烯在基底上滑动等效应。在具有局部精度的方法中，值得一提的是使用原子力显微镜探针在图案化基底上的石墨烯片上进行纳米压痕的方法。虽然这种方法提供了有关石墨烯力学性能的宝贵信息，它不适用于研究应变对某些特定局部性质的影响。这一缺点源于探针位于应变区域上方，使得难以获得纳米级精度的应变场图像。除了上述所有缺点之外，其中一些方法还会产生均匀应变。然而，实现非均匀应变，从而在同一样品中生成具有不同电子、光学和振动特性的区域，将是应变电子学发展中的关键一步，使人们能够研究广泛的现象学多样性，并在同一纳米材料上组合不同的功能。

本文提出了一种新型的石墨烯应变工程方法，该方法能够在特定位置周围几纳米的范围内实现非均匀的局部形变，从而产生非均匀应变，并可直接映射和量化应变区域。具体而言，我们发现Si纳米颗粒在石墨烯/Ru(0001)表面上的生长会改变二维材料与金属基底界面处的键合结构，从而产生局部形变。利用石墨烯/Ru(0001)表面特有的莫尔条纹作为放大镜，我们采用扫描隧道显微镜(STM)实现了应变场的精确映射。为了进一步实现更精确的应变工程，我们利用STM探针可控地移除单个纳米颗粒，从而对应变场进行纳米级操控。实验结果表明，形成了应力场网络，每个应力场都与一个纳米颗粒相关联，并且应力会沿着石墨烯层传递，石墨烯层表现得像一个弹性膜。

图 1. 石墨烯/Ru(0001) 的结构表征。a ) STM 图像展示了本工作中生长的石墨烯/Ru(0001) 表面的高度结构完整性。插图中的直方图表示莫尔条纹峰偏离理想莫尔超晶格预期位置的偏差。该直方图由在不同原始石墨烯/Ru(0001) 表面上采集的多张 STM 图像生成。b )在石墨烯/Ru(0001) 上采集的典型 LEED 图案。电子能量：75 eV。c )示意图展示了 b) 中观察到的不同衍射特征的来源。隧道参数：a) V _S = −2.73 V，I _t= 25 pA，尺寸：75 × 75 nm ²。

总之，研究表明，硅纳米粒子的生长会在Ru(0001)表面上生长的单层石墨烯中诱导局部应变。利用石墨烯-金属界面特有的莫尔条纹作为放大镜，对诱导应变进行了表征。结果发现，该应变仅局限于每个纳米粒子周围几个纳米的范围内。该应变的起源与硅纳米粒子形成后石墨烯/Ru(0001)体系界面键合结构的变化密切相关。利用扫描隧道显微镜(STM)探针可控地移除纳米粒子，实现了对诱导应变的纳米操控。结果表明，纳米粒子的移除会在距离纳米操控点20 nm以上的区域产生影响。研究表明，纳米粒子的吸附会形成一个相互作用的应力场网络，从而导致应力沿石墨烯层传播。本工作展示的应变生成和纳米操控方法提供了一种能够实现极致控制的策略，有望为应变电子学的发展做出重大贡献。具体来说，这种方法提供的前所未有的局部精度可能意味着，通过测量受应变和未受应变的周围区域，可以对应变引起的新出现的特性进行精确研究，迈出了第一步。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c03926

文献标题：Strain Engineering in Graphene at the Nanometer Scale