用于压电电子学和压电光电子学的二维压电材料研究进展和展望
2025-11-09 10:10:23 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
文中全面探讨了二维压电材料及压电光电子材料，包括过渡金属硫族化合物（TMDC）、六方氮化硼（h-BN）和磷烯，重点阐述了它们的独特优势及最新研究进展，讨论了二维材料中压电电子学和压电光电子学的基本原理，聚焦实现这些现象的基本物理机制。
近年来，二维（2D）材料因其在原子尺度呈现的独特物理化学性质而受到广泛关注，这些特性使其明显区别于块体材料。二维材料具有可调带隙、强激子效应等独特的光学和电学特性，为光子学、光电子学和催化领域的突破性进展奠定了基础。过渡金属硫族化合物（TMDC）层状结构的灵活堆叠特性，使得横向或纵向异质结构的构建成为可能，为传感器、晶体管和能源器件等固态应用扩展了功能。基于这些多功能特性，二维材料在压电领域具有广阔的应用前景，其纳米级尺度与可调机械性能为构建高灵敏度、高效率的压电响应提供了潜力。
据麦姆斯咨询报道，韩国延世大学（Yonsei University）的研究人员在Advanced Science期刊上发表了题为“Progress and Perspectives in 2D Piezoelectric Materials for Piezotronics and Piezo-Phototronics”的综述文章。文中全面探讨了关键的二维压电材料及压电光电子材料，包括过渡金属硫族化合物（TMDC）、六方氮化硼（h-BN）和磷烯，重点阐述了它们的独特优势及最新研究进展，讨论了二维材料中压电电子学和压电光电子学的基本原理，聚焦实现这些现象的基本物理机制。此外，本文还分析了影响压电和压电光电性能的因素，特别关注了二维材料的本征压电特性以及通过各种调制技术和材料工程方法增强的面外极化。本文探讨了这些二维材料的潜在应用，从压电纳米发电机（PENG）到压电光电子器件和生物医疗传感器。这篇综述阐述了未来的挑战和机遇，强调了二维材料对下一代电子、光电和生物医学器件发展的变革性影响。
基于二维材料的压电电子学和压电光电子学的发展和研究趋势
I 二维材料的合成方法和基本原理
二维材料的合成方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积法（PVD）、以及溶液法。
二维材料的合成方法
压电电子学和压电光电子学是令人兴奋的新领域，它们利用压电材料的独特性质来改进电子和光电子器件。在压电电子学中，关键思想是利用机械应变产生的电势（称为压电势）来调控电荷在材料界面（例如金属和半导体（M-S）接触界面或p-n结）的迁移。可以将这种压电势看作一个开关或“门”，能够通过开合来调节电子流。同样，压电光电子学利用压电势来影响光生载流子的产生、分离和传输，从而优化光电探测器/传感器、太阳能电池和压电光电晶体管的性能。
应变对MoS₂基器件压电电子学及压电光电子学性能的影响
II 影响压电电子学及压电光电子学性能的因素
在压电电子学和压电光电子学领域，材料的压电特性至关重要，因为其直接影响器件的能量转换效率、传感灵敏度和信号处理能力。通过调控MoS₂、MoTe₂等二维材料的结构和缺陷，研究人员已经确定了几种提高压电系数的有效方法。这些方法包括硫空位钝化、相变调节、引入Janus结构和界面效应增强，均能显著提高压电响应。这些进步不仅提高了能量收集和转换的效率，还增强了传感器件的灵敏度和可靠性。
二维材料压电性能的本征调控
众所周知，赋予二维材料铁电性，同样能使其具备面外压电特性。与传统三维铁电材料不同，原子级厚度的二维材料可以实现超薄器件尺寸。它们表面光滑且无悬挂键，使得基于范德华力的异质结自由构建及器件集成成为可能。除异质结外，扭曲和滑移铁电是赋予二维材料铁电性能的另一种方法。此外，通过修饰衬底向二维材料引入应力，不仅能调控其压电特性，还可通过调节带隙改善其光电响应，这在压电电子学和压电光电子学领域具有重要意义。
二维材料压电性能的外在调控
III 应用
MoS₂和WSe₂等二维材料的独特物理性质和优势使其非常适合应用于压电电子和光电子器件。它们的原子级厚度、机械柔性和高结晶度使其能够承受较大应变，与PVDF和压电离子弹性体等聚合物相比，这对于有效的压电能量收集和传感至关重要。这些材料表现出优异的压电系数，为开发出高性能压电纳米发电机奠定了基础，这类发电机可高效地将机械能转换为电能。
二维材料在压电纳米发电机中的应用
MoS₂等二维材料的非中心对称结构确保了强大的压电效应，而其高载流子迁移率和直接带隙则是场效应晶体管和光电器件应用（例如光电探测器/传感器和光伏器件）的理想选择。此外，通过应变或异质结构调整带隙和电子特性的能力增强了二维材料的多功能性。这些特性与化学气相沉积（CVD）等可规模化制备方法相结合，使二维材料成为下一代压电电子与光电子器件的潜力候选者，为自供电传感器、能量收集器及先进光子学器件带来了新机遇。
二维材料在压电电子学器件中的应用
二维材料在压电光电子学器件中的应用
二维材料因其柔软性和压电性能而被广泛用作生物医疗领域的应变传感器。通过将柔性压电二维材料制成可穿戴柔性传感器，可以通过感知脉搏或心跳来实现对人体健康的实时监测。此外，二维材料具有良好的生物相容性，广泛应用于植入式生物医学领域。一方面，研究人员可以利用二维材料的压电效应来监测体内健康状况；一方面，二维材料具有良好的压电催化效应。当施加外部超声波时，二维压电材料会收集振动能量以引起变形，从而产生电流以催化活性氧（ROS）的产生。ROS可以破坏癌症细胞的内部结构，从而实现安全、高效、无痛的治疗。
用于生物医疗领域的可穿戴压电传感器
用于生物医学治疗的压电植入物
总而言之，二维材料在压电电子学与压电光电子学领域的研究已取得重要进展，为高性能电子器件与光电子器件的发展带来了新机遇。本综述重点阐述了MoS₂、WSe₂等二维材料的独特性质，以及它们在能量收集、柔性电子和传感器领域的应用。这些材料具有原子级厚度、优异的柔韧性和可调电子结构等特点，有望为下一代压电技术提供支撑。尽管如此，要实现其广泛实际应用，仍需解决若干关键技术挑战。
一个主要挑战是高质量二维材料的可扩展和可控合成。虽然化学气相沉积（CVD）等现有方法展现出潜力，但在面向工业应用的规模化生产中仍面临障碍，包括生产成本高、合成工艺复杂，以及难以实现均一性和可重复性。为应对这些挑战，开发创新性合成方法至关重要，例如卷对卷化学气相沉积（roll-to-roll CVD）、金属有机化学气相沉积（metal-organic CVD）和低温溶液法等。通过采用更廉价的前驱体、优化工艺及实施材料回收策略来降低成本，对于大规模生产也同样关键。此外，确保二维材料在实际应用中的稳定性也极为重要，因为它们易发生氧化和环境降解。采用表面钝化、保护性涂层和复合材料策略，可增强其耐用性和抗环境干扰能力。
克服这些挑战对于二维材料获得更广泛应用至关重要。建立标准化测试来评估不同环境下的性能和可靠性，将为商业使用奠定基础。优先开展长期稳定性测试，并开发低成本、可规模化的制造工艺（例如面向印刷电子的溶液相合成法），能够降低成本并提高可扩展性。各个科学学科之间的合作对于二维材料及其器件应用的创新仍将至关重要。二维材料的柔韧性和可调电子特性为开发下一代植入式电子器件提供了巨大的潜力，这些器件可实现生理功能监测或提供靶向治疗。通过针对性研究与实际应用解决这些挑战，将弥合理论创新与实际应用之间的差距，推动二维压电材料在电子、光电子及生物医学器件领域的应用。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202411422
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