中科院物理所：纳米级应变直写技术，加速二维材料应变工程技术发展 |前沿用户报道

研究背景及成果

应变工程是指通过拉伸或压缩等应变技术来调控材料性能或优化相关器件性能。近些年来，随着二维材料的兴起，基于它的应变工程研究变得火热起来。但现有的二维材料应变技术（如拉伸衬底、产生气泡等），重复性及灵活性差，因此如何实现微区可控复杂应变成为应变工程发展的重要方向之一。

在此背景下，中科院物理所纳米实验室N10组提出了一种非接触式应变直写技术。该技术可以在二维材料中准确写入纳米到微米尺度设计图案的应变。这项全新应变技术，具备高度的灵活性以及半导体工艺兼容性，有望进一步推进二维材料在纳米机电系统、高性能传感和非传统光伏到量子信息科学等广泛领域的潜在应用。

相关成果"Strain lithography for two-dimensional materials by electron irradiation."已在Applied Physics Letters 上发表。

实验思路及结果验证

光刻胶材料 PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）在电子束的辐照作用下会发生降解（如图1所示），导致体积发生变化。光刻胶自身体积的变化，会进一步使附着在其表面的二维材料以及其它薄膜材料发生形变（如图2所示）。

基于这个原理，中科院物理所研究团队便考虑利用电子束直写设备的高精度图形直写能力，通过调控电子束剂量，创造纳米级应变分布的可控应变结构制备。

图1 光刻胶（PMMA）的电子辐照降解

图2 电子束诱导二维材料应变

实验发现，通过控制电子束辐照剂量，中科院物理所研究人员可以有效控制二维材料的应变程度（如图3所示）。拉曼光谱技术以及光致荧光（PL）光谱技术是研究半导体应变的重要工具，图4展示了“墨西哥帽状”复杂应变的PL光谱空间峰位分布图， HORIBA LabRAM HR Evolution Nano 纳米拉曼光谱仪的强大空间数据采集及后处理能力，进一步揭示了该方法复杂应变的制备能力，即同时制备包含拉伸应变（红移）以及压缩应变（蓝移）结构的能力。

图3 应变调控

图4 复杂应变空间分布

仪器使用评价

“该工作使用 HORIBA 的 LabRAM HR Evolution Nano 纳米拉曼光谱仪，可探测纳米级应变分布，使用便捷；处理空间分布数据的功能非常强大。”

实验室配备的
LabRAM HR Evolution Nano
纳米拉曼光谱仪

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课题组介绍
中科院物理所纳米实验室N10组，主要研究方向有：纳米材料与纳米结构的可控制备、新奇物理特性及器件应用研究；自旋、能谷量子态物性研究及其在量子信息/量子计算的应用;超快磁光激光光谱学；低维/纳米材料物性和器件研究等。

绿色制氢

SnSe入选理想压电催化材料候选体系
被誉为21世纪“终 极能源”，氢能可谓市场前景广阔，水分解绿色制氢更是重要发展方向。压电纳米材料可将机械能转化为化学能，为绿色氢能制备提供了一种崭新路径，有望进一步推动绿色制氢技术的发展，但目前大多数压电纳米材料的催化效率仍然有待提升。 

二维铁电/压电材料具有高电导率/迁移率、优异的铁电/压电特性、相对窄的带隙宽度、丰富的表面催化活性位点等优势，因而在压电催化领域极具潜力。在所有二维铁电/压电材料中，SnSe 材料具有理论预测最 高压电响应、以及高迁移率和易形变特性等性质，成为理想压电催化材料候选体系，有望应用于进一步提升机械能驱动绿色水分解制氢催化反应效率。 

首次报道

江苏大学利用 SnSe高效催化产氢
近期，江苏大学量子与可持续性技术研究院团队首次报道选取 SnSe 二维材料作为压电催化材料，得益于 SnSe 易形变特性（杨氏模量为24.3至27.7 GPa）、单层材料极高的压电系数（d11 = 250.58 pm V−1）和高理论迁移率（11000 cm2 V−1 s−1），实现了高效超声机械力驱动水分解产氢（效率高达948.4 µmol g−1 h−1），远超大多数已报道的其他压电催化材料产氢效率。 

相关成果以“Mechanically Induced Highly Efficient Hydrogen Evolution from Water over Piezoelectric SnSe nanosheets”为题在Small上。这充分体现了 SnSe 二维材料在绿色催化反应中的优势，对进一步推动绿色制氢产业技术发展具有重要意义。 

性能表征

研究论证SnSe材料压电及催化性能

研究过程中，江苏大学团队首先对 SnSe  二维材料的结构压电性质进行表征分析。研究人员通过简单的热注入化学法合成 SnSe 单晶纳米片，采用差分相位衬度-扫描透射电子显微成像(DPC-STEM)这一新兴技术，在纳米尺度下观察到了 SnSe 材料内部的铁电畴结构，间接验证了其具有铁电/压电响应。 

图1. SnSe二维纳米材料的微观结构分析图

另一方面，研究团队与 HORIBA 位于上海的应用中心专家合作，采用LabRAM Nano 配备的 SmartSPM 压电响应力显微镜（PFM）模块深入研究了 SnSe 纳米材料的压电/铁电性能，观测到了铁电畴结构。通过施加−10 V至+10 V的偏压，在面内方向得到了典型的蝴蝶曲线，进一步证实了 SnSe 纳米片具有面内压电/铁电性。 

图2. SnSe 二维纳米材料的PFM表征分析图

对 SnSe 二维材料的压电性质完成表征分析后，研究团队进一步评估了SnSe 纳米片在超声机械力作用下水分解制氢性能。以三乙醇胺(TEOA)作为牺牲剂，在100 W 和45 kHz 的超声波作用下，SnSe 纳米片相比于纳米颗粒和微米样品表现出更优的压电催化活性，产氢效率高达4742.9 μmol g−1。此外，计算表明 SnSe 纳米片的共振频率约为43.6 kHz，这与获得最 高产氢效率的超声条件(45  kHz)接近，表明材料的压电响应在机械能驱动分解水催化反应中起到关键作用。 

图3. SnSe 二维纳米材料在超声机械力作用下分解水产氢性能及压电电流相应图

课题组介绍

李顺，江苏大学金山特聘教授。

2015年获得加拿大国家科学研究所（INRS）能源与材料科学博士学位。曾任南方科技大学副研究员。研究方向主要为铁/压电/热电/热电纳米材料在能量转换及催化中的应用。在 Nature Photon., Prog. Mater. Sci., Mater. Horizon., Nano Energy, Small 等国际知名期刊上发表论文80余篇。发表论文被引用3000余次，H指数33。申请专 利数十项，获批国家自然科学基金2项。

张建明博士 现任江苏大学化学化工学院教授，博导，江苏特聘教授。

2013年获得加拿大国家科学院（INRS）材料科学博士学位。2016年9月加入江苏大学化学化工学院，组建功能复合材料研究团队。专注于新能源材料、电子信息材料、环保材料的基础和应用研究。主持国家自然科学基金、科技部重 点研究计划子项目、江苏省特聘教授等多项国家、省部级科研项目。

仪器使用评价

“实验中使用 HORIBA LabRAM HR Nano 配备的 SmartSPM 模块对纳米材料的压电/铁电性能进行表征。其配备了多种 SPM 测量模式，如开尔文探针模式（表面电势，SKM，KPFM）、压电响应模式（PFM），可以实现对纳米压电/铁电材料电畴、表面电势等性质的全方位、快速、自动化表征分析。” 

HORIBA 科学仪器应用中心

本次实验中使用的 LabRAM HR Nano 拉曼光谱仪 

(升级型号：LabRAM Odyssey Nano) 

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绿色制氢

SnSe入选理想压电催化材料候选体系

被誉为21世纪“终 极能源”，氢能可谓市场前景广阔，水分解绿色制氢更是重要发展方向。压电纳米材料可将机械能转化为化学能，为绿色氢能制备提供了一种崭新路径，有望进一步推动绿色制氢技术的发展，但目前大多数压电纳米材料的催化效率仍然有待提升。 

二维铁电/压电材料具有高电导率/迁移率、优异的铁电/压电特性、相对窄的带隙宽度、丰富的表面催化活性位点等优势，因而在压电催化领域极具潜力。在所有二维铁电/压电材料中，SnSe 材料具有理论预测最 高压电响应、以及高迁移率和易形变特性等性质，成为理想压电催化材料候选体系，有望应用于进一步提升机械能驱动绿色水分解制氢催化反应效率。 

首次报道

江苏大学利用 SnSe高效催化产氢
近期，江苏大学量子与可持续性技术研究院团队首次报道选取 SnSe 二维材料作为压电催化材料，得益于 SnSe 易形变特性（杨氏模量为24.3至27.7 GPa）、单层材料极高的压电系数（d11 = 250.58 pm V−1）和高理论迁移率（11000 cm2 V−1 s−1），实现了高效超声机械力驱动水分解产氢（效率高达948.4 µmol g−1 h−1），远超大多数已报道的其他压电催化材料产氢效率。 

相关成果以“Mechanically Induced Highly Efficient Hydrogen Evolution from Water over Piezoelectric SnSe nanosheets”为题在Small上。这充分体现了 SnSe 二维材料在绿色催化反应中的优势，对进一步推动绿色制氢产业技术发展具有重要意义。 

性能表征

研究论证SnSe材料压电及催化性能

研究过程中，江苏大学团队首先对 SnSe  二维材料的结构压电性质进行表征分析。研究人员通过简单的热注入化学法合成 SnSe 单晶纳米片，采用差分相位衬度-扫描透射电子显微成像(DPC-STEM)这一新兴技术，在纳米尺度下观察到了 SnSe 材料内部的铁电畴结构，间接验证了其具有铁电/压电响应。 

图1. SnSe二维纳米材料的微观结构分析图

另一方面，研究团队与 HORIBA 位于上海的应用中心专家合作，采用LabRAM Nano 配备的 SmartSPM 压电响应力显微镜（PFM）模块深入研究了 SnSe 纳米材料的压电/铁电性能，观测到了铁电畴结构。通过施加−10 V至+10 V的偏压，在面内方向得到了典型的蝴蝶曲线，进一步证实了 SnSe 纳米片具有面内压电/铁电性。 

图2. SnSe 二维纳米材料的PFM表征分析图

对 SnSe 二维材料的压电性质完成表征分析后，研究团队进一步评估了SnSe 纳米片在超声机械力作用下水分解制氢性能。以三乙醇胺(TEOA)作为牺牲剂，在100 W 和45 kHz 的超声波作用下，SnSe 纳米片相比于纳米颗粒和微米样品表现出更优的压电催化活性，产氢效率高达4742.9 μmol g−1。此外，计算表明 SnSe 纳米片的共振频率约为43.6 kHz，这与获得最 高产氢效率的超声条件(45  kHz)接近，表明材料的压电响应在机械能驱动分解水催化反应中起到关键作用。 

图3. SnSe 二维纳米材料在超声机械力作用下分解水产氢性能及压电电流相应图

课题组介绍

李顺，江苏大学金山特聘教授。

2015年获得加拿大国家科学研究所（INRS）能源与材料科学博士学位。曾任南方科技大学副研究员。研究方向主要为铁/压电/热电/热电纳米材料在能量转换及催化中的应用。在 Nature Photon., Prog. Mater. Sci., Mater. Horizon., Nano Energy, Small 等国际知名期刊上发表论文80余篇。发表论文被引用3000余次，H指数33。申请专 利数十项，获批国家自然科学基金2项。

张建明博士 现任江苏大学化学化工学院教授，博导，江苏特聘教授。

2013年获得加拿大国家科学院（INRS）材料科学博士学位。2016年9月加入江苏大学化学化工学院，组建功能复合材料研究团队。专注于新能源材料、电子信息材料、环保材料的基础和应用研究。主持国家自然科学基金、科技部重 点研究计划子项目、江苏省特聘教授等多项国家、省部级科研项目。

仪器使用评价

“实验中使用 HORIBA LabRAM HR Nano 配备的 SmartSPM 模块对纳米材料的压电/铁电性能进行表征。其配备了多种 SPM 测量模式，如开尔文探针模式（表面电势，SKM，KPFM）、压电响应模式（PFM），可以实现对纳米压电/铁电材料电畴、表面电势等性质的全方位、快速、自动化表征分析。” 

HORIBA 科学仪器应用中心 

本次实验中使用的 LabRAM HR Nano 拉曼光谱仪 

(升级型号：LabRAM Odyssey Nano) 

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01 研究背景及成果

表面增强拉曼光谱（SERS）技术是一种结合拉曼散射和纳米技术的超灵敏振动光谱技术，检测水平可低至单分子，可应用于微纳塑料的检测研究。复旦大学张立武课题组之前的研究工作中，首次报道利用 SERS 技术实现了环境纳米塑料的检测（EST,2020, 54(24): 15594）。但是该研究中采用的商业化 Klarite 基底成本昂贵，不适宜广泛大规模的应用。

因此复旦大学张立武教授课题组基于 V 型阳极氧化铝模板提出了一种新型适用于环境微纳塑料检测的低成本 SERS 基底，增强因子最 高可达20，并可快速准确地检测到1 μm 的单个微塑料颗粒。该基底具备热点均一、增强 效果好的优点，有望推广到环境各介质中微纳塑料的检测，为尺寸更小的纳米塑料检测分析提供了新方法。

相关研究以 V-shaped substrate for surface and volume enhanced Raman spectroscopic analysis of microplastics 为题发表在 Front.Environ. Sci. Eng.。

02 实验过程       

1) 制备SERS基底

在之前商业化 Klarite 基底研究经验的基础上，张老师课题组这次依然选用了具有相似倒锥形结构的阳极氧化铝（AnodizedAluminum Oxide, AAO）模板，通过磁控溅射和离子溅射两种沉积金纳米材料的方法分别制备得到了相应的 SERS 基底。

图1（a）空白的AAO模板；（b）离子溅射后形成的基底；（c）磁控溅射后形成的基底；（d,e）微塑料小球在基底上的分布。

2) 检测微塑料标准样品

在这个环节中，张教授团队使用 HORIBA LabRAM XploRA 高性能全自动拉曼光谱仪验证基底检测微塑料的性能。实际结果也表明他们制备的 SERS 基底可大大增强微塑料的拉曼信号，增强因子最 大可达20，可检测到的微塑料尺寸也缩小至1 μm。这些数据充分表明了这次制备的 SERS 基底在检测单个小尺寸微塑料颗粒方面具有明显优势。值得一提的是，与商业基底 Klarite 相比，这次使用的 SER 基底检测成本也大大降低。

图2（a）微塑料在硅基底上的拉曼光谱；（b）显微镜下，硅基底上不同尺寸的单个微塑料小球；（c）不同尺寸的单个微塑料在离子溅射形成基底上的拉曼光谱；（d）不同尺寸的单个微塑料在磁控溅射形成基底上的拉曼光谱；（e,f）显微镜下，磁控溅射和离子溅射形成基底上的不同尺寸的单个微塑料小球；（g）不同尺寸微塑料小球在不同溅射方法形成基底上的增强因子的箱线图。

3）检测真实环境样品

不止实验室环境，张教授对基底在实际环境中的应用能力也进一步进行了验证检测。他们收集了雨水样品，并对其进行消解、过滤等前处理，最 终将雨水样品滴加在基底上进行实验。张教授团队利用 HORIBA 光谱仪的普通拉曼成像功能、SWIFT 快速成像功能以及 ParticleFinder 颗粒分析功能，对基底上的样品进行分析，寻找疑似微塑料的颗粒物质并根据成像结果快速定位，最 终在雨水样品中检测到与标准聚苯乙烯光谱高度匹配的微米级颗粒物质。

图3（a）显微镜下在雨水样品中找到的微塑料颗粒；（b）该微塑料颗粒的拉曼光谱，出峰位置与标准聚苯乙烯光谱高度匹配。

仪器使用评价

本研究中，我们使用的是 HORIBA XploRA 高性能全自动拉曼光谱仪。

首先是利用 HORIBA 拉曼光谱仪检测微塑料颗粒，其亚微米级的共焦成像分辨率使我们能够清楚准确地寻找到目标颗粒物，同时全自动化的操作也大大节省了检测时间。

其次是 HORIBA 拉曼光谱仪的 SWIFT 快速成像功能，帮助我们在检测实际样品时，能够快速寻找定位疑似目标。

在检测雨水样品时，由于样品中颗粒物众多，且属性未知，造成使用一般方法寻找颗粒物并进行检测费时费力。而 HORIBA 拉曼光谱仪提供的普通拉曼成像功能和 SWIFT 快速成像功能提供了很大的帮助，光谱仪的自动化检测操作提高了分析效率。

实验室实拍

HORIBA XploRA 高性能全自动拉曼光谱仪

课题组负责人简介

张立武，复旦大学环境系教授，博士生导师。

主要从事大气污染化学研究，在EES，Angew，EST等期刊发表论文100余篇，他引总计8000余次。担任英国皇 家化学会期刊《EnvironSci:Adv》副主编。入选国 家级青年人才计划，上海市“东方学者”特聘计划，德国洪堡学者等。

近年来在环境颗粒物污染物检测及成像方面开展了持续研究，包括实现了单颗粒气溶胶三维化学成分及混合状态的受激拉曼成像（SmallMethods , 2019, 1900600），单颗粒气溶胶的表面增强拉曼检测（EST,2017, 51, 6260；AnalyticalChemistry, 2019, 91, 21: 13647），及纳米塑料的表面增强拉曼检测（EST,2020, 54: 15594）等。

联系作者：张立武，zhanglw@fudan.edu.cn

什么是应变？什么是应力？很多人对应变应力傻傻分不清楚，今天就让南京峟思来给大家介绍下什么是应变和应力，以及他们的计算公式。

首先我们先来介绍下应变，应变是指在外力和非均匀温度场等因素作用下物体局部的相对变形。

再来介绍下应力，应力就是物体由于外因（受力、湿度、温度场变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。这个力就是应力，实际就是压强，单位MPa。

如果还是不能理解，那么我来举个例子：当你站在一块砖上的时候，这块砖本身会因为受力变的矮一点点（敲黑板：世界上没有在受力之后形状大小内部各点相对位置不变的物体），那变矮的一点点就是物体的变形，降低之后的高度差和原先的高度比就是所谓的应变。应变是受到应力之后产生的相对变形率，是一种比值，因此应变是没有单位的，这时候大家再想一想，如果力的方向是反的，那么压缩就会变成拉伸，计算的方式是不变的。

假设长度为L的结构物受力发生形变后的长度变为L'，那么它的长度变化量ΔL=L'-L，而应变ε就是变化量ΔL与原长度L的比值，公式如下：

ε = ΔL / L

应变量跟承受的应力变化量有什么关系呢，请看计算公式：

σ = ε·E

式中 σ 表示应力，E 是被测物的弹性模量，是描述材料弹性的物理量，可以把它看成材料抗变形的能力（刚性），发生同样变形（应变值一样）的两种材料，抗变形能力越强（弹性模量大）的材料，所承受的应力越大。比如同样大小的豆腐和砖块，想要使它们的高度都被压缩1mm，前者只需轻轻一压，而砖块则须借助工具了。

以上是南京峟思工程仪器给大家介绍的关于应力应变的内容，如果还有其他问题，小伙伴们可以在评论区留言，我们一起探讨吧~