采集太陽(yáng)能并將之轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁且恢币詠?lái)非常重要的課題。北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心的馮濟(jì)在近期的工作提出，通過(guò)應(yīng)變構(gòu)造所謂的“太陽(yáng)能漏斗”，為這一個(gè)課題提供全新的視角。這一工作發(fā)表在《自然—光子學(xué)》[Ji Feng, et al. Nature Photonics 6, 886-872 (2012); doi:10.1038/nphoton.2012.285]上。

 

傳統(tǒng)的材料所能承受的拉伸彈性應(yīng)變通常不會(huì)超過(guò)0.2%。最近出現(xiàn)的一類(lèi)新型低維材料，如石墨烯，單層二硫化鉬等，能夠承受巨大的彈性拉伸。馮濟(jì)及其合作者考慮如何運(yùn)用彈性應(yīng)變?yōu)椴牧蠋?lái)前所未有的性能。他們?cè)O(shè)想讓探針頂壓懸浮的彈性薄膜，構(gòu)造出一個(gè)不均勻的應(yīng)變場(chǎng)。彈性應(yīng)變?cè)谖⒂^上對(duì)應(yīng)的是化學(xué)鍵的拉伸或者壓縮，改變材料中電子（或者載流子）的能量。不均勻的應(yīng)變分布就可以引發(fā)一個(gè)對(duì)載流子的有效電場(chǎng)。如果在一個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中，即能實(shí)現(xiàn)通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)來(lái)集中載流子。這就好像一個(gè)載流子“漏斗”。馮濟(jì)及其合作者提出的器件的幾何形狀也正好是漏斗形（如圖）。

太陽(yáng)能“漏斗”示意圖(Image credit: Arend van der Zande和James Hone)

作為概念演示，馮濟(jì)與合作者針對(duì)單層二硫化鉬開(kāi)展數(shù)值模擬。單層二硫化鉬是目前備受關(guān)注的量子材料。馮濟(jì)和王恩哥在之前的合作中，演示了單層二硫化鉬具有被稱(chēng)為“谷”的量子自由度，體現(xiàn)出“谷”圓二色光選擇性及量子輸運(yùn)特性[Ting Cao et al. Nature Communications 3, 887 (2012)]。除了特異的光學(xué)性能，二硫化鉬還是一個(gè)只有0.6納米厚的超強(qiáng)度彈性晶體薄膜，可以承載11%的彈性應(yīng)變。馮濟(jì)與合作者通過(guò)基于密度泛函之GW近似，求解Bethe-Salpeter方程，得出二硫化鉬中的準(zhǔn)粒子能量（電子、空穴和激子）。計(jì)算顯示，二硫化鉬中的準(zhǔn)粒子能量對(duì)應(yīng)變非常敏感，其激子能量在材料的強(qiáng)度范圍之內(nèi)可以改變0.7 eV之多。結(jié)合經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算出頂壓下的單層二硫化鉬的應(yīng)變分布，馮濟(jì)及其合作者演示了這一設(shè)計(jì)的可行性。

應(yīng)變和應(yīng)變場(chǎng)對(duì)材料的許多性能在量子層面具有深刻影響。馮濟(jì)的工作展示了非均勻應(yīng)變場(chǎng)在調(diào)控載流子方面的獨(dú)特能力。彈性應(yīng)變具有d(d+1)/2個(gè)維度（d是材料的維度），相應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)則是一個(gè)d(d+3)/2維的連續(xù)變量，對(duì)材料性能具有豐富多變的調(diào)控能力。在超強(qiáng)度材料嶄露頭角的今天，不難預(yù)見(jiàn)彈性應(yīng)變工程將是一個(gè)具有理論和技術(shù)價(jià)值的科研方向。哥倫比亞大學(xué)的James Hone教授在《自然-光學(xué)》同期的News and Views上對(duì)馮濟(jì)的工作發(fā)表評(píng)述[Nature Photonics 6, 804-806 (2012)]，也對(duì)彈性應(yīng)變工程的潛力給予高度評(píng)價(jià)。

這項(xiàng)工作是與MIT材料系和核工程系的李巨教授、錢(qián)曉峰博士和Cheng-Wei Huang合作完成的，受到中國(guó)自然科學(xué)基金委、973計(jì)劃、美國(guó)NSF及空軍等的資助。