斯坦福大学《Adv Mater》：离子插层实现2D材料高效单轴面内拉伸

二维材料，如层状过渡金属二卤化物(TMDs)，具有显著和高度各向异性的电子、光学、机械和化学性质，促进了在纳米电子学、传感、纳米机电系统、和催化方面的应用。薄片上的动态应变工程要求高效的微执行器能够产生较大的面内应变。无机电化学执行器的独特之处在于，它们由低电压(≈1 V)驱动，并产生相当大的应变(≈1%)。然而，离子的传质限制了驱动速度和效率。因此，最大限度地减少激活所需的离子数量是实现有用的微型设备的关键。

 

来自斯坦福大学的研究人员发现，极少量的锂离子在WTe₂中的电化学插层引起了很大的面内各向异性应变：一个面内应变为5%，另一个面内应变为0.1%。2DWTe₂层的这种有效拉伸与相关材料中的插层诱导应变形成对比，后者主要是在平面外方向有明显变形。Li_xWTe₂的不同寻常的驱动与一种新发现的晶相的形成有关，这种晶相被称为Td’-Li_0.5−δWTe₂，其具有奇异的原子排列。在向新相及其组成的转变过程中，本文还实现了片上低压(<0.2V)控制。在Td’-Li_0.5−δWTe₂相中，获得了1.4%的单轴面内应变，而δ的变化仅为0.075。这使得Td’-Li_0.5−δWTe₂的平面内化学膨胀系数远远大于任何其他单相材料，从而能够实现快速高效的平面电化学致动。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202101875

WTe₂是一种具有奇异晶体结构的新型TMD多型体，锂嵌入诱导的Td'相具有独特的晶格膨胀特性。通过电化学插入少量锂对其2D层进行大规模的单轴面内拉伸，在单相材料中产生了最大的化学膨胀系数。未来的研究可以调查光学性质和应变动力学之间的相关性。本文的发现可以实现卓越的驱动，例如，在需要面内应变的片上2D应变电子器件中，Li _xWTe₂的面内应变的单轴特性将通用性提升到了一个新的水平。结合最近的a轴WTe₂纳米线的演示，基于这项工作可能实现一种新型的人造肌肉。（文：SSC）

图1| WTe₂作为微型电化学致动器。

图2.WTe₂嵌锂时的结构相变。

 

图3.用Operando单晶X射线衍射仪测量插层过程中WTe₂薄片的结构演变。

 

图4.固溶体中平面内化学膨胀系数的比较。

 

图5| Td’-Li_0.5−δWTe₂(片状尺寸350×265×4.5µm³)中的a轴晶格动力学，由电化学势(vs Li/Li⁺)的微扰驱动，并由Operando单晶X射线衍射测量。