苏婷^§,1，荣超^§,1，余天昊¹，胡珊²，何攀³，张博威^1,*，闫亚宾^1,*，轩福贞^1,*

 机构

1.华东理工大学

2.爱荷华州立大学

3.伦敦大学

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae0216

撰稿 | 文章作者

文章导读

二维（2D）材料是航天航空，集成电路，精密传感，柔性电子等领域的首选材料。由于2D材料转移技术和实验设计上的困难，以及对力学行为的相关机制理解不够全面和深入，目前该领域仍然发展缓慢。

近期，华东理工大学的张博威教授、闫亚宾教授、轩福贞教授课题组在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“Progress and perspectives of high-quality mechanical properties testing and mechanisms for 2D materials”的文章。

2D材料的原子级厚度使其力学性质研究极具挑战性。目前，对2D材料的力学性质展开实验研究主要从三种显微镜技术入手：扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)。这三种显微镜技术成功实施的关键前提是需要将高质量的样品成功转移到基底/测试装置上，然而，目前该领域聚焦于测试手段，却忽视了转移技术这一重要环节，近五年约600篇研究论文共同出现的网络证明了这一点（图1）。

图1 当前2D材料力学研究趋势与共现关键词的可视化。

在这篇综述中，作者结合各种显微镜技术的特点，介绍2D材料的各种转移技术，以便研究人员可以更加快速准确的根据2D材料的固有性质选择最佳的力学测试策略。并从理论和实验的角度对2D材料的断裂行为、尺寸效应、边缘原子级缺陷和层间键合作用提供了机制见解（图2）。最后，作者对该领域面临的挑战和未来的发展前景进行了展望。

 图2 2D材料力学的转移技术、原位力学实验和机理认识示意图。

图文解析

2D材料通常难以直接生长在具有孔隙或者间隙的力学测试基底上。因此，从生长基底向目标测试基底的转移对于2D材料的测试和应用至关重要。常见的转移方法可以分为两大类：湿法转移和干法转移（图3）。需要注意的是，选择合适的转移技术是2D材料力学性能测试或应用中的关键步骤，研究者应根据2D材料的性质以及所需的目标基底选择对应的转移技术。

图3 干法转技术。

显微镜技术为2D材料的力学性质测量提供了可能性，考虑到2D材料的固有性质各异，需要在不同显微镜技术中选用合适的测试平台，以增加测量结果的准确性。如图4和图5所示，从被测样品的测试平台出发，评论几种常用的力学测试策略，主要包括无基底测试，在硅片上测试，在微机电系统（MEMS）装置上测试。

 图4 无基底测试和硅片上的力学测试。

图5 利用MEMS进行力学测试。

在2D柔性器件的工程应用过程中，由于不是理想实验条件，2D材料的机械性质会受到外界因素干扰，这就需要研究人员在原子水平上结合理论计算更深层次的理解2D材料的力学行为。从2D材料的原子级断裂行为（图6）、几何尺寸效应、边缘缺陷的影响、层间键合作用（图7）四个角度来加深研究人员对2D材料力学机制的理解，并为其力学稳定性提供见解。

图6 2D材料的原子级断裂行为。

图7 2D材料的层间键合作用。

总结与展望

本综述系统分析了适用于2D材料的洁净转移方法与显微技术，为其力学测试实验方案制定提供指导。结合实验与模拟，从原子尺度深入探讨了断裂行为、尺寸效应、边缘缺陷及层间键合作用等力学机理，并指出目前该领域在系统性机理研究方面仍处于起步阶段。高质量转移技术与微纳力学实验的协同发展，将为2D材料在新一代高性能电子与光电子器件中的可靠应用奠定坚实基础。

未来仍需关注：（1）研发兼顾清洁性与结构完整性的高洁净度转移技术；（2）推动2D材料的大规模可控制备；（3）拓展对非层状2D材料及异质结构的力学研究；（4）发展多物理场耦合原位显微表征；（5）深化原子级力学机理研究。

作者与团队简介

张博威 华东理工大学

张博威，教授，博士生导师。博士毕业于美国爱荷华州立大学机械工程专业，期间在耶鲁大学联合培养，毕业后在美国西北大学从事博士后研究。入选国家优青、上海市科技青年35人引领计划及上海市海外高层次人才计划，获国家海外优秀留学生奖、美国Sigma Xi授予的Zaffarano Prize (1人/年)等奖项。近5年以第一/通讯作者在Nature Communications，Advanced Materials, Nano Letters, ACS Energy Letters, Materials Horizons等SCI期刊发表论文20余篇，其中4篇入选ESI高被引论文，申请/授权专利10项。

闫亚宾 华东理工大学

闫亚宾，教授，博士生导师。华东理工大学机械与动力工程学院教授，主要从事宏微观机械装备损伤失效评价、新型功能材料设计与应用、基于电子显微技术的微纳尺度仪器装置开发等方面的研究。入选上海市东方学者特聘教授，主持国家自然科学基金项目、上海市自然科学基金面上项目、上海市航天科技创新基金等多项课题，获日本材料学会论文奖。在Nature Communications, ACS Applied Materials and Interfaces, International Journal of Mechanical Sciences, International Journal of Solids and Structures, Materials Science and Engineering A, Engineering Fracture Mechanics等学术期刊发表论文60余篇，申请/授权中国发明专利11项，授权国际专利1项，登记软件著作权3项，撰写英文专著2篇。

轩福贞 华东理工大学

轩福贞，现任华东理工大学校长。获国家科技进步一等奖1项、二等奖1项，省部级特等奖1项、一等奖4项、二等奖1项，中国石油与化学工业联合会青年科技突出贡献奖。主持完成国家核电重大专项（课题）、国家仪器专项、863计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等课题。