普渡大学程佳瑞/武文倬等：手性链二维材料中的超快激光激波应变

研究背景

应变工程可有效调控低维材料能带结构等性能，已广泛用于相关研究与应用。常见的晶格失配、机械屈曲等应变引入方法，难以实现2D器件中应变的可控精确调控。激光冲击压印(LSI)技术借助激光诱导冲击波实现超光滑3D纳米成形，能精准调控二维材料应变及光电特性，已成功应用于石墨烯、过渡金属二氯化物(TMDC)的定制应变工程。

二维碲(碲烯)作为手性链半导体，具有优异光电性能与各向异性，应变工程为其性能调控与器件应用(如柔性应变传感器、红外光电探测器、CMOS兼容晶体管)提供了契机。但LSI技术在碲烯中的应用尚未探索，其独特手性链结构与取向依赖性超快应变的相互作用、超快应变速率下的变形机制等关键问题仍不明确。通过LSI研究二维碲烯的变形机制，可为手性链二维材料的应变工程应用奠定理论基础。

Ultrafast Laser Shock Straining in Chiral Chain 2D Materials: Mold Topology-Controlled Anisotropic Deformation

Xingtao Liu, Danilo de Camargo Branco, Licong An, Mingyi Wang, Haoqing Jiang, Ruoxing Wang, Wenzhuo Wu & Gary J. Cheng

Nano-Micro Letters (2026)18: 83

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01925-8

本文亮点

1. 本文首次实现在手性链碲上完成超快激光冲击压印：通过激光冲击压印揭示二维碲中晶体取向依赖性变形。

2. 本文提出两种截然不同的应变响应模式(双变形模式)：平行应变支持链滑动和旋转，横向应变则引发多模剪切驱动变形，显著改变晶格结构和性质。

3. 本文制备的模具拓扑结构实现了局部应变和单晶保持——锋利边缘产生局部剪切，比光滑模具更有效地形成位错。非对称应变实现致密变形，同时保持单晶区，实现精确的光电子纳米结构。

内容简介

碲烯(Tellurene)是一种具有窄带隙和优异应变敏感性的手性链半导体，是可通过应变工程定制电子和光电子特性的关键材料。普渡大学程佳瑞、武文倬等人阐明了二维碲(Te)中超快激光冲击(LSI)的基本机制，确立了应变场取向、模具拓扑与各向异性结构演化之间的直接关系。本文首次在手征链Te上展示超快LSI并揭示取向依赖性位错网络。通过对Te螺旋链平行或横向施加受控应变场，本文揭示了两种截然不同的变形形式：与链条方向平行排列的应变会诱导由弱链间相互作用控制的滑行和旋转，保持链内共价键和振动模式；横向应变驱动剪切介导的多模态变形——拉伸、压缩和弯曲——导致显著的晶格变形和电子属性调制。作者发现了模具拓扑在变形中的关键作用：锐边格栅通过光滑CD模具产生的局部剪切力超过均匀应变场的剪切力，引发位错缠结形成、晶格重新定向和非均匀塑性变形。非对称应变配置允许局部结构转变，同时保持邻近区域的单晶完整性——这二者的平衡是功能性器件集成的关键。这些发现使LSI成为纳米级应变工程的精密工具，能够在不影响晶体性的前提下雕刻二维材料形态。通过将超快力学与手征链材料科学相结合，这项工作推动了新一代电子学和光电子学应变可调器件的设计，同时建立了在极端应变率下控各向异性二维系统的通用框架。这项工作发现了二维Te中晶体取向相关的变形机制，将平行应变与链滑动相关联，将横向应变与剪切驱动的多模态畸变相关联。研究表明，模具几何形状是控制应变局部化和位错动力学的关键因素，其中锐边光栅能够以前所未有的方式控制晶格重取向。至关重要的是，确定了能够协调严重塑性变形与保持单晶的应变场条件，为功能性纳米结构制造开辟了一条路径，重新定义了LSI在手性链材料超快应变工程中的潜力。

图文导读

图1. A-B 用于 2D 碲应变的LSI处理示意图。C-D 光栅模具上应变碲薄片的 AFM 形貌图。E SEM 图像显示了 2D 碲烯上的图案，并展示了 TEM 样品制备的区域。F FIB 横截面成像显示了应变 2D 碲烯的形貌。G STEM-EDX 映射显示了所制备样品的分布，表明 2D 碲在 CD 模具上的对称变形下发生了形变。H-K CD 模具上对称应变碲薄片的 TEM 图像。H 明场 TEM 图像，I-K 对应于(H)中区域的选区电子衍射(SAD)图案。

图1呈现了 2D 碲(碲烯)激光冲击压印(LSI)的实验装置与核心表征结果。图1 A-B 为 LSI 加工示意图，展示了纳米秒脉冲激光透过硼硅玻璃约束层作用于石墨吸收层，产生高压冲击波使铝层变形并将 2D 碲压印到模板上的过程；C-D 为光栅模板上应变碲片的 AFM 形貌图，呈现了碲片经 LSI 后形成的周期性表面结构；E 为展示碲片压印图案及 TEM 样品制备区域的 SEM 图；F 为显示应变 2D 碲形貌的 FIB 截面图，显示碲片与铝箔紧密贴合，且完全复刻了模板的三维结构；G 为 STEM-EDX 元素分布图，表明碲(Te)、铝(Al)等元素的空间分布，证实 2D 碲在CD模板的对称变形作用下，均匀覆盖于铝箔表面，且未发生元素扩散或脱离。

图1H为CD模板上对称应变碲片的明场TEM图像，显示厚度约20 nm的碲片无明显宏观缺陷，整体结构连续。图1I-K为对应H图不同区域的选区电子衍射(SAD)图案，观察到到1.82°、1.84°、2.02°的晶格旋转角度，表明 LSI 诱导的应变使碲片发生晶格取向微调，但衍射斑点仍清晰规整，证实碲片在变形后仍保留单晶特性，其变形主要通过晶格旋转而非产生大量结构缺陷。 

图2. 碲中平行于链方向的不对称应变的透射电子显微镜(TEM)分析。A. 明场 TEM 图像，显示在光栅模具上进行激光诱导晶化(LSI)后碲薄片的形貌。B-C. 区域 1 的放大图像及相应的选区电子衍射(SAD)图案。D-E. 区域 2 的放大图像及相应的选区电子衍射图案；F-J. [0001] 方向垂直于光栅边缘的应变碲薄片的 TEM 分析 F. 明场 TEM 图像，显示在光栅模具上进行激光诱导晶化后碲薄片的形貌。G-H. 区域 5 的放大图像及相应的选区电子衍射图案。I-J. 区域 4 的放大图像及相应的选区电子衍射图案。

光栅模具具有周期性锋利边缘拓扑结构，相较于 CD(compact disk) 模具的光滑表面，能产生更强的局域剪切力，从而诱导非均匀变形。图2展示了光栅模具上 2D 碲(碲烯)经激光冲击压印(LSI)后的 TEM 结果，解释了[0001]方向与光栅边缘平行和垂直两种取向的不对称应变响应。图2A-E 为碲链与光栅边缘平行时的表征，明场 TEM 图显示严重变形区域形成位错缠结，对应选区电子衍射(SAD)图案表明晶格取向变化约 3.32°，而仅受激光冲击喷丸作用的区域则保持低位错密度的单晶结构；F-J 为碲链与光栅边缘垂直时的结果，TEM 图呈现碲片贴合光栅周期性拓扑的形貌，SAD 图案显示晶格取向变化达 6.37°，但相邻平整区域仍保留单晶特性，证实锋利边缘光栅能通过局域剪切力诱导显著晶格重取向和位错形成，且不破坏整体结晶完整性，验证了非对称应变场 “局部致密变形 + 相邻区域单晶保留” 的核心特性。

图3. 应变Te沿着[0001](A-C)和[121 ̅0](E-G)的HSTEM图像。A和E 未变形区域；B和F 光栅模具上的严重变形区域；C和G CD模具上的变形区域；D和H激光冲击压印下Te薄片的变形机理示意图。

图3 聚焦 2D 碲(碲烯)经激光冲击压印(LSI)后的原子尺度晶格结构演变。图 3A和3E呈现了碲片的原始晶格结构：碲链排列规整，形成无缺陷的单晶结构，链间距离均匀，共价链内键合稳定。

图3B和图 3F对应光栅模具上的严重变形区域：晶格呈现显著紊乱，出现大量 “位错缠结” 结构，部分碲链发生塑性变形甚至局部断裂，体现了光栅锋利边缘产生的局域高剪切力对晶格的剧烈扰动；黄色区域显示，部分完整链仍存在弹性变形，证实该场景下碲片呈现 “塑性变形(位错缠结、链断裂)+ 弹性变形(链弹性扭曲)” 的双模式响应；对比未变形区域，链间排列有序性完全被破坏，反映出非对称应变对晶格完整性的局部调控。

图3C和图3G对应 CD 模具上的变形区域：变形程度弱于光栅模具场景，未出现明显的位错缠结或链断裂，主要表现为 “链滑移” 和 “链间相互作用扭曲”；晶格整体仍保持一定连续性，仅局部出现链的轻微偏移和间距变化，印证了对称应变场的均匀性特点。

图3D 直观展示了两种模具下的核心变形模式：光栅模具诱导 “碲链滑移 + 链扭曲”，CD 模具主要引发 “碲链滑移 + 链间相互作用扭曲”， 而图 3H 进展示了链的变形形式：包括拉伸(Tensile)、压缩(Compressive)、弯曲(Bending)。

图4. A1 模式下应变碲薄片的拉曼 mapping。A 由LSI在 CD 模具上诱发的、与链方向垂直的应变场；B 激光诱导表面起伏(LSI)在垂直于链方向取向的光栅模具上产生的应变场；C 由LSI在与分子链方向平行的 CD 模具上诱导产生的应变场；D 与链方向垂直的光栅模具上由LSI引起的应变场；E 对应于A-D测试点的应变二维碲的拉曼光谱。

图 4 聚焦 2D 碲(碲烯)经激光冲击压印(LSI)后的拉曼光谱表征，以呼吸振动模式揭示了应变场取向和模具拓扑对碲晶格振动及内应力状态的调控。

图4A-B为应变场垂直于碲链 [0001] 方向的拉曼mapping图，图 4A(CD 模具，垂直应变)拉曼 mapping 图像显示，碲片在 CD 模具的对称应变作用下，由于垂直于链方向的拉伸应力，与模具沟槽接触的区域出现明显的模式红移。图 4B(光栅模具，垂直应变)拉曼 mapping 呈现类似红移特征，这表明无论对称应变(CD 模具)还是非对称应变(光栅模具)，只要应变方向垂直于碲链，都会诱导晶格拉伸，且光栅边缘的局域剪切力进一步强化了这种拉伸应力的集中分布，使红移信号更显著。

图4 C-D为应变场平行于碲链 [0001] 方向：图 4C(CD 模具，平行应变)拉曼 mapping 显示碲片大部分区域峰位集中在 120 cm⁻1(接近基线 121 cm⁻1)，仅局部区域出现轻微蓝移至约 121.5 cm⁻1，蓝移源于平行于链方向的压缩应力。图 4D(光栅模具，平行应变)拉曼 mapping 无明显峰位偏移，大部分区域保持 120-121 cm⁻1 的基线峰位。这表明光栅模具的非对称应变在平行于链方向时，主要通过链滑移而非晶格畸变来适应应力，未显著改变原子间作用力，因此呼吸振动模式基本保持稳定。

图5. 利用LSI对碲化胺在光栅模具上的非对称应变工程进行MD模拟。A用于原子间相互作用参数化的模拟体积的类型。B在激光冲击前，Te链在SiO₂光栅衬底上的冲击取向有横向(垂直)和平行于光栅两种。C 激光冲击后的碲化碳链与SiO₂光栅衬底相一致。

图5聚焦 2D 碲(碲烯)经激光冲击压印(LSI)后的分子动力学(MD)模拟结果，核心围绕 “碲链与光栅模具的取向关系”，通过模拟验证并补充了实验中观察到的各向异性变形机制。

图5A展示了三类关键相互作用的模拟单元：链内作用(Intrachain)、链间作用(Interchain)、链 – 基底作用(Chain-substrate)：链内为六方 / 三角晶胞结构，链间为正六边形排列，链 – 基底为碲链与 SiO₂表层原子接触的三斜晶胞结构。

图5B-C为LSI 前碲链与光栅的两种初始取向和LSI 后碲链的变形结果。LSI前，碲链与光栅边缘 “横向(Transversal)” 垂直、“平行(Parallel)” 对齐，与实验中两种关键应变取向相对应。LSI 前碲链在 SiO₂光栅基底上的自由状态，链排列规整。LSI后，无论横向还是平行取向，碲链均完全贴合光栅的周期性拓扑结构，验证了 LSI 技术 “模具拓扑复刻” 的效果，与实验中 AFM、TEM 观察到的形貌一致。从原子尺度来说，横向取向时，碲链发生显著 “扭转(Twisting)”，通过局部结构重取向抵抗压缩应力；平行取向时，碲链以 “滑移(Sliding)” 为主，链间间距重组，体现出弱范德华力主导的变形特点，与实验中 “横向应变晶格旋转更大、平行应变位错更少” 的规律相互印证。

结论

本研究探讨了二维(2D)手性链碲(Te)的激光冲击压印(LSI)的基本机制，建立了一种用于实现对手性链2D材料纳米级应变的精确控制的高分辨率超快技术。通过利用受限激光-材料相互作用产生的高压冲击波，LSI能够以高精度在超快应变率下操纵Te的螺旋链结构。研究结果揭示了两种不同的变形机制，具体取决于施加应变场与碲螺旋链的相对取向关系。当应变场平行于螺旋链排列时，变形主要通过链滑移和旋转发生，链的振动特性保持完整。相反，垂直应变场引起链旋转、滑移、拉伸和弯曲的复杂相互作用。对称应变场导致沿螺旋链方向产生均匀的波浪形位错，而不对称应变场则在局部区域产生高密度位错缠结。值得注意的是，受到不对称应变的区域可以保留单晶结构，这表明Te能够在不影响结构完整性的情况下适应局部变形。这些结果为探究极端条件下的手性链二维材料的变形机制的理解提供了基础。精确控制应变引起的Te结构变化的能力为定制其电子，光学和机械性能开辟了新的途径，对柔性电子、光电子和应变敏感传感器的应用具有重要意义。

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