王 伟，卢香超，周立军，鲁艺珍，曹 阳

（厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室,能源材料化学协同创新中心,化学化工学院,厦门361005）

压电效应是非中心对称的晶体所具有的一种特性，可以实现机械能与电能的相互转化［1］.近年来，二维材料已成为研究压电效应及纳米机电器件的热点对象.其原因如下：（1）理论和实验表明，二维材料具有优异的力学性质.以二硫化钼（MoS2）为例，单层MoS2在破裂之前，可以承受16～30 GPa的应力.同时，二维材料的刚度也很大，其杨氏模量高达270 GPa.综合考虑MoS2的强度和刚度，其可以承受6%～11%的应变，这种特性使其有潜力进行晶格应变调控，从而应用于压电器件的研究［2］；（2）许多块状非压电的材料在厚度削减至二维时，才会造成对称性破缺，从而表现出压电特性［3］；（3）二维材料的晶体结构简单，更容易从第一性原理的角度研究材料的结构与压电性质的构效关系，为深入研究压电效应提供了简易模型.

结合二维材料原子级厚度的结构特性，二维压电材料在超薄柔性纳米发电机、自驱动系统以及原子尺度下的驱动器中具有广阔的应用前景.利用压电效应产生的压电势可以调控界面的能带结构，从而实现对半导体器件性能的调制.在光场作用下，压电势还可以辅助调控界面光生载流子的产生、输运、分离或复合，实现光电器件的性能调控.

如需系统地设计及构建二维材料压电功能器件，则需要从器件的功能化应用出发，统筹考虑材料的选择、应变的引入方式及相应的表征方法.

本综述以构建功能化的二维压电器件为目标，在总结此类器件中所应用到的压电产生机理及外场调控机制的基础上，系统论述了器件的制备思路及流程，以期对设计构筑此类二维压电器件并推进其应用提供参考（图1）［4～7］.具体来说,本文将围绕以下4个方面介绍如何构建基于二维压电材料的功能性器件:（1）产生压电效应的原理以及选择二维压电材料的方法;（2）常见的向二维材料引入应变的方法及各自的适用范围;（3）如何精准表征二维材料中应变场和压电场的定量信息和空间分布;（4）基于二维压电材料的纳米发电机、太阳能电池、场效应晶体管、光电探测器以及传感器的工作原理、构建方法及其发展近况.最后,总结了二维压电器件领域中亟待解决的关键问题以及其未来的发展趋势.

Fig.1 Design and construction of two⁃dimensional piezoelectric devices[4—7]

1 二维压电材料

1.1 压电效应产生的机理

压电效应主要存在于非对称的晶体中［见图2（A）］［8］，其产生的原理如图2（B）所示.以MoS2为例，其晶胞为钼原子与硫原子相间形成的六方单胞，具有3个互成120°的偶极P1，P2和P3，属于D3h结构，即在z轴方向具有对称性而在xy平面内对称性破缺.当没有应变产生时，这3个偶极的矢量和为零；当在xy平面内受到压缩或拉伸应变时，由于3个偶极随应变响应的程度不一样，在应变的方向会产生极性相反的极化电荷（也称压电势），形成净偶极矩.类似地，对于硒化铟（In2Se3）及黑磷（BP）等z轴方向不对称的材料，当其在z轴方向受到应变时，则产生沿着z轴方向的正负极化电势.

Fig.2 Principle and the working mechanism of piezoelectric effect

1.2 压电效应在(光)电子器件中的性能调控机制

在电子器件中，应变所诱导的压电势可以作为栅压，用于调控电子器件中的载流子输运性质，主要应用在发电器件、传感器件以及场效应晶体管器件等.利用压电效应调控电子器件性能的机理最早由王中林教授［9，10］在2007年研究氧化锌的压电效应时提出，后来被广泛应用到传感器［11］和场效应晶体管［12］等器件.如图2（C）和（D）所示［13］，当金属与n-型半导体接触时，二者费米能级的差异导致界面处产生肖特基势垒φ.假设该n-型半导体具有压电性质，当其受到拉伸应力时，在金属-半导体（M-S）的界面处会产生极化电荷，以产生正极化电荷为例，此时界面处的肖特基势垒降低，电子更易从半导体流向金属；相反地，当半导体受到压缩应变，在界面处诱导出负极化电势，界面处的肖特基势垒升高，电子更难从半导体流向金属.因此，对于常见基于金属-半导体-金属接触（MSM接触）的单层MoS2器件，当其受到应变时，由于两端肖特基势垒的不对称调制，MSM输出曲线会出现不对称响应［3］；对于双层的MoS2器件，应力带来的改变仅仅体现为带隙的变化导致的导电性变化［14，15］，其MSM输出曲线体现为对称调制［3］.除了调控肖特基接触之外，压电势也可以调节p-n结的耗尽区宽度和势垒高度，从而实现二极管的输运性质调控［16，17］.类似地，在光电子器件中，二维压电材料在外部的应变刺激下，在p-n结界面或者M-S结界面积累的压电极化电荷可以调节界面的能带结构，从而调节光生载流子的产生、输运、分离或复合，这主要应用在太阳能电池以及光电探测器中［18］.

2 二维压电器件的设计和构筑

通常来说，利用二维材料的压电性质，设计和构筑功能性器件，需要依次统筹考虑压电材料的选择、如何诱导出压电效应即如何引入应变、如何表征应变和压电效应，以及如何根据需求实现器件的功能性应用，下面将具体展开讨论.

2.1 二维压电材料的选择

选择二维压电材料需要看其是否具备2个条件：（1）晶体结构没有对称中心；（2）非零带隙.这是由于不对称的晶体结构在应变下才会产生极化电荷，并且在非零带隙的条件下产生的正负极化电荷才不会复合.基于这种判断标准，理论计算表明，在潜在的1173种二维材料中可供选择的单层压电材料高达325种［19～41］.这其中包括过渡金属双硫族化合物（TMDCs）［27］，Ⅲ族单硫族化合物［30］，IV⁃V族MX2化合物（M=Si或Ge，X=P）［24］等.如此庞大的二维压电材料家族为二维压电功能器件的设计提供了多种选择.

除了考虑是否具有压电效应之外，还需要考虑二维材料的层数以及晶格取向.如MoS2和氮化硼（BN）的压电性质与其层数的奇偶性有关.奇数层的MoS2和BN由于对称性破缺而具有压电效应，而偶数层的MoS2和BN由于其临近两层晶格不对称方向可以相互抵消，保持了结构对称性，使得压电性质消失［3］.此外，MoS2的压电耦合系数随着层数的增加逐渐降低，并且其扶手椅方向上的压电耦合系数大于锯齿方向［42］.对In2Se3而言，其压电响应随着层数的增加逐渐增大，且γ型In2Se3的压电响应比α型In2Se3更大［43］.

2.2 应变的引入方法

二维材料极其优异的机械性质使得应变成为调控二维材料性质的方法之一.

2.2.1 通过柔性的聚合物基底的弯折引入应变 目前，最常见的方法是将二维材料转移到柔性基底［聚苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚二甲基硅氧烷（PDMS）］上，然后对其进行弯折［图3（A）］.通过控制弯折的程度，来控制应变的大小.然而，由于柔性基底与二维材料之间容易发生相对滑移，二维材料只能产生1%左右的应变.为了抑制这种界面滑动效应，可以考虑以下几个办法：（1）使用聚合物或金属夹紧二维材料的两端，抑制其在界面上的滑动［44］.（2）使用高杨氏模量的高分子聚合物作为基底，如聚乙烯醇（PVA），以提高应变从基底转移到二维材料上的效率［45～47］.

2.2.2 通过粗糙或阵列化的基底引入应变 将二维材料转移到粗糙或图案化的基底上，基底与二维材料之间的范德华作用力可以使二维材料产生一定的变形［图3（B）］［7，48～52］.Li等［49］设计了二氧化硅拱形阵列，使用湿法转移的方式将MoS2转移到阵列上，然后将所得到的器件在乙二醇溶液内浸泡.在蒸发溶剂的过程中产生的毛细力作用可以在MoS2中引入弹性应变.Wang等［7］使用锥形阵列的蓝宝石作为生长MoS2的基底，利用冷却过程中MoS2与蓝宝石热膨胀系数的不同，向MoS2中引入压缩应变.

Fig.3 Methods of introducing strain into 2D materials

这种使用粗糙基底引入应变的方法可以避免基底与材料之间的相对滑移，并且通过设计不同大小和形状的基底，可以引入不同大小的应变.然而，这种粗糙基底所产生的应变场比较复杂，对应变的精确控制比较困难.

2.2.3 通过二维材料层间的气泡或褶皱引入应变 在转移二维材料的过程中，层间范德华力将表面的杂质（水和碳水化合物）挤压至微纳米级的空腔，从而形成褶皱和气泡.实验证明这种褶皱和气泡可以给二维材料带来应变［图3（C）］［14，32，53～60］.虽然这种转移过程中形成的褶皱和气泡的位置、大小、形状比较随机，但是目前已经有很多成熟的办法可以控制备褶皱和气泡.如先拉伸再释放柔性基底，利用二维材料与柔性基底的相对滑移，可以在二维材料中引入周期性的褶皱［61～63］；使用低能质子辐射照射二维材料，通过在二维材料与基底之间产生并积累气体从而形成气泡［64］；将MoS2转移到孔洞的阵列上，通过改变孔洞内外的压强差来调节MoS2应变的大小［16］.

这种利用层间范德华力或限域空间内的压强提供应变的方法无需外力施加应变，并且已有大量关于气泡和褶皱应变场分布的研究［15，53，54，56，57，65］，因而其可以作为简易的模型体系来研究应变对二维材料的性质调控.

2.2.4 通过原子力显微镜的纳米压印、晶格失配等方法引入应变 除了以上比较常见的施加应变的方式以外，还有很多引入应变的方法，但是目前还没有得到大规模的应用.如使用原子力显微镜的针尖对二维材料进行纳米压印，利用高灵敏度的反馈系统可以精确施加皮牛级别的应力［图3（D）］［2，66，67］；设计悬空的二维材料器件，利用重力可以向二维材料中引入应变［图3（E）］［68］.除此之外，利用层间的晶格失配也可以引入应变［图3（F）］［69］，并且这种应变可以调控传统催化剂的d能带宽，从而提高催化反应的效率［70～73］.

总之，对二维材料施加应变的方法有很多，但是普遍存在着共性问题，即难以精准施加均匀的应变，这对研究二维材料的非线性压电模型带来了一定困难.目前在二维材料领域处理压电耦合的模型时，几乎都将应变与压电耦合系数拟合为线性关系.这在无限小的应变尺度下是可以近似线性处理的，但在实际过程中施加应变时，应当考虑其中的非线性压电效应.鉴于此，在实际施加应变的过程中由不均匀应变引起的挠曲电效应与这种非线性的压电效应难以区分.因此，如何精准施加均匀的应变成为深入研究二维材料中的非线性压电模型的关键.

2.3 应变与压电的表征方法

压电效应在二维压电器件的调控机制是指利用压电势调控界面的能带弯曲以及材料内载流子的输运、分离和复合.因此表征二维材料的应变和压电性质，并以此获得二维材料的结构与压电效应之间的构效关系以及压电场的定量分布信息，有利于指导和设计功能性器件.

2.3.1 应变的表征方法 数学模型法.对于通过弯折柔性基底以施加应变的实验体系，可以将柔性基底近似为简支梁的数学模型［图4（A）］，通过物理分析与数学推导的方式计算应变的大小［3］.然而对于其它的应变体系，如使用图案化的基底或二维材料中的褶皱、气泡，需要建立的数学模型比较复杂并且难以真实反映实际应变大小.

光谱表征技术.由于二维材料的振动模式受到应变的强烈影响，因而拉曼光谱技术可以用于表征二维材料的应变［7，49，57］，其最大的优势在于可以广泛应用到各种应变模型体系中.实验和理论计算表明，单层的MoS2每受到1%的拉伸应变，A1g峰会红移1.7 cm—1，会红移5.2 cm—［1图4（B）］［15，74］.同样地，由于应变会带来电子结构的变化，使得光致发光（PL）谱也可以反映材料的应力大小［15，74］.然而，在表征应变的方向时，需要通过点扫描的方式绘制整个二维平面的应变.当光斑和样品大小相近时，便难以反映样品表面的应变方向.为了解决这个问题，Liang等［5］基于应变改变材料的光学极化率的原理，介绍了利用光学二次谐波谱（SHG）表征二维材料应变的技术［图4（C）］.通过SHG的强度和与极化相关的SHG谱图演化可以分别得到应变的大小和方向的信息.

Fig.4 Methods of characterizing strain and piezoelectricity in 2D materials

除了以上比较常用的表征二维材料的应变方法之外，还可以借鉴三维晶体的应变表征方法.如使用X射线衍射技术［75］、透射电子显微技术［72］以及暗场电子全息技术［76］等均可以描述并绘制微纳米尺度的应变.

2.3.2 压电性质的表征方法 表征二维材料的压电效应主要分为两种手段：（1）通过施加应变测量电学信号；（2）通过施加电场检测应变信号。

当压电材料受到应变影响时，材料表面的静电势分布、外电路的电流电压信号会发生变化.针对这些性质，可以表征二维材料的压电响应［3，43，77～79］.如将二维材料转移到柔性的PET基底上，并在材料的两端制备电极，通过对柔性基底进行反复的弯折来检测2个电极之间的电压和电流信号［图4（D）］［21］.Lanza等［77］将MoS2转移到刻有孔洞的硅/二氧化硅片上，使用导电原子力显微镜（C-AFM）表征MoS2的电流，在悬空的MoS2部分区域检测到了电流响应.然而，这种基于测量电流的表征方法大多适用于导电的材料，对于BN等绝缘材料，测量压电产生的电流信号比较困难.可供选择的办法是使用扫描探针显微技术或拉曼等光学表征技术测量应变所诱导的压电场.如Woods等［78］利用二维材料层间气泡对BN施加应力，第一次使用静电力显微镜（EFM）表征了气泡之间的应力诱导的局域电场的变化；为了同时定性和定量地表征压电势的空间分布，Wang等［58］发展了使用开尔文探针力显微镜（KPFM）可视化压电势分布的方法［图4（E）］.该实验表明奇数层的BN气泡上具有从气泡边缘指向气泡中心的压电场，而偶数层BN的气泡上却没有这种压电场的分布.

当压电材料受到电场影响时，由于逆压电效应，会在材料中产生应变，通过表征这种应变的存在可以证明材料中压电效应的存在［42，52，70，80～86］.典型的办法是使用压电力显微镜（PFM）进行表征，即通过在针尖和样品之间施加电场，检测样品振幅图和相位图的变化，可以实现局域部分的压电测量.对于z轴不对称的材料（如In2Se3及BP等），PFM可以有效地表征面外压电响应［83，84，86］.但是对于过渡金属双硫族化合物这种D3h点群的结构，由于其垂直方向的结构非常对称，因此PFM施加的垂直方向上的电场不会引起这种材料的面内极化，测量其压电性质需对PFM进行改进.如Li等［85］对PFM进行了改进，他们使用平面内激发电场的方式，在二硒化钨（WSe2）的面内引入电场，诱导面内极化，从而检测面内的应变信号.事实上，尽管理论上MoS2这种z轴对称的材料不具有面外压电性质，但最近的实验和理论表明，如果对z轴施加一个连续梯度的应变，也会引入面外压电响应［52，70，80，87］.Kim等［82］使用PFM对粗糙基底上的二碲化钼（MoTe2）进行了表征［图4（F）］，发现基底越粗糙，诱导的应变越大，MoTe2的压电响应越强，从实验上证明了连续的应变梯度可以诱导结构对称的晶体的压电效应.

2.4 二维压电功能性器件的构筑与性能研究

二维材料独特的优势为设计各式各样的功能性器件开辟了新道路.结合压电效应，二维材料已成功应用于纳米发电器件、太阳能电池、光电探测器、场效应晶体管以及传感器等.

2.4.1 纳米发电器件 二维材料具有优异的机械性能，可以承受10%～20%的应变［2］，有望应用于下一代自驱动的透明柔性器件［3，43，79，88，89］，即不需要外部电源就可以工作的无线纳米设备，如可植入医疗传感器、环境监测器以及个人电子设备等.这种纳米发电器件最常用的装置制备过程如［图5（A）］所示，首先将二维材料转移到柔性的PET基底上，然后经过光刻、蒸镀金属以及剥离工艺过程，制备MSM结构，最后再使用PDMS封装得到最终器件.当拉伸所制备的器件时，在M/S界面会产生极性相反的压电极化电荷，从而在外部电路中驱动电子流动；当器件被松弛时，压电极化电荷消失，电子反向回流.电子在一个弯折的周期中来回迁移，给外置电阻充电，实现机械能转化为电能［3］.值得注意的是，M/S接触必须是肖特基接触，以防止外部电子穿过界面中和极化电荷.此外，理论和实验表明，机电能量的转换对施加应变的方向十分敏感［28，42，90］，对于MoS2或BN而言，沿着扶手椅方向的压电耦合系数最大.Kim等［90］发现沿着扶手椅方向的发电功率是沿着锯齿方向的两倍，因此在设计纳米发电器件时，需要优化M/S接触界面的晶格取向.

Fig.5 Schematic diagram of nanogenerator based on two⁃dimensional piezoelectric materials

基于以上的设计结构和原则，Wu等［3］设计了基于单层MoS2的发电器件.沿着扶手椅方向施加应变时，在0.43%应变下输出电压高达15 mV，输出电流可达20 pA，功率可达2 mW/m2，机械能转化效率约为5%.Ma等［79］测量了多层BP的压电性能，在0.7%的应变下可以产生4 pA的电流.Dai等［43］发现在1%的应变下，7层的In2Se3可以产生598.1 pA的输出电流和0.363 V的输出电压.尽管二维材料可以实现机电转化，但是单个器件的输出功率太低，为了推进二维压电材料在实际上的应用，可以对多个器件进行串联以获得更大的输出电压或进行并联获得更大的输出电流.因此，Lee等［22］设计了多个WSe2的集成器件，通过并联多个器件，将单个器件的皮安级别电流增大到了纳安级别［图5（B）和（C）］，这种程度的输出电流足以自驱动液晶显示器（LCD）.

2.4.2 太阳能电池 太阳能电池是指将太阳能转化为电能的装置，其一般不需要外加偏压就可以将太阳能转化为电能.在本文中，应变诱导的压电场是一个天然的内建电场，可以分离光生电子和空穴，在零偏压下将太阳能转化为电能.与纳米发电机类似，太阳能电池常用的也是MSM结构.不同的是，其中的一个M/S接触必须是欧姆接触［图6（A）］.因为在双端均为肖特基结构的情况下，不管电流的流向如何，总会存在一个阻碍电子流动的肖特基势垒，从而影响载流子的外电路输运.因此，在选择金属电极时必须匹配二维材料的费米能级和金属的功函数.

尽管已经有很多基于压电效应设计太阳能电池的研究相继被报道［91～93］，但是尚未见实验报道基于二维压电材料的太阳能电池的设计，相关研究仍停留在理论层面［94～96］.如Michael等［94］模拟了基于单层SnSe，SnS，GeSe和GeS的太阳能电池器件，右边M/S之间的接触是欧姆接触，左边的M/S接触是肖特基接触，在受到应变时，肖特基势垒的高度可以有效地被调节，在0.9%的应变下基于SnSe，SnS，GeSe和GeS的太阳能电池器件分别提高了6.8%，7.4%，2.9%和6.3%的开路电压；Zheng等［96］模拟了压电势对MoS2太阳能电池性能的影响，计算出在1%的应变下可以提高5.8%的开路电压.

Fig.6 Solar cells and photodetectors based on two⁃dimensional piezoelectric materials

2.4.3 光电探测器件 光电探测器是指利用光电效应实现对光检测的装置.利用二维压电材料诱导的压电势可以辅助外场分离光生电子和空穴，从而提高光电探测器的灵敏度和开关比.光电探测器的太阳能利用效率通常与材料的吸光效率、电子和空穴的分离效率以及电极对载流子的收集效率有关.因此，为提高光电器件的性能，通常从以上3个方面对材料进行改性.以MoS2为例，对吸收效率而言，材料厚度的减少导致MoS2中产生强结合的激子，极大地提高了光吸收效率［97］.同时，为了解决强结合能激子带来的低载流子分离效率这一问题，可以设计p-n结或肖特基结，以抑制光生载流子的复合.在本文中，压电场也是个有效的调控手段，可以用于辅助分离光生电子和空穴，从而提高载流子的分离效率，以进一步提高光电探测器件的性能［97～100］.

基于以上的设计思路，Zhang等［98］设计了基于p-n结的光电探测器，使用AuCl3对一部分的n-型MoS2进行p-型掺杂，形成p-n同质结.随着应变的增大，p-n结两侧的压电电势扩大了耗尽区，提高了电子-空穴的分离效率，从而提高了器件的光响应.Li等［101］设计了基于肖特基接触的光电探测器件［图6（B）］，通过控制施加应变的方向和大小，可以区分压电效应和压阻效应对光电探测器的贡献.结果表明，压电效应可以提高光电流的开关比和光响应速度，而压阻效应可以显著提高光电流的大小［图6（C）］.设计基于二维压电材料的光电器件的另一优势在于其器件的制备过程与现代的芯片加工工艺相兼容.如Wang等［7］使用具有锥形阵列的蓝宝石作为生长MoS2的衬底［图6（D）］，在经过高温生长后，利用蓝宝石与MoS2的热膨胀系数的不同，向MoS2中引入压缩应变.最后通过掩膜版蒸镀的工艺可以直接制备阵列化的光电探测器件，有望实现基于二维压电材料的光电探测器件产业化.

2.4.4 场效应晶体管 基于压电效应的场效应晶体管利用应力代替传统晶体管中的栅压，以调控半导体内载流子的输运性质.目前尚未见基于二维压电材料的场效应晶体管的报道，主要问题在于大部分二维材料诱导的压电极化电荷是以一定电势梯度的方式分布在平面内［102］，难以在整个平面内诱导出相同极性的极化电荷参与栅压调控.可供解决的办法是使用多层BP或In2Se3等z轴方向不对称的压电二维材料，诱导面外压电场，从而可以在同一平面内产生相同的极化电荷.其结构的设计可以参考基于氧化锌的场效应晶体管的结构［图7（A）］［6，12，103］，Chen等［6］使用MoS2作为半导体材料，氧化铝作为绝缘层，生长在氧化铝表面的ZnO阵列作为压电材料.当外界施加压缩应力时，ZnO与Al2O3界面诱导出正极化电荷.这种极化电荷通过静电诱导的方式在MoS2与Al2O3界面诱导出电子，在外置的源漏极电压下，可以产生额外的电流.这种场效应晶体管器件对外力极其敏感，因此可以应用于压力传感器中［图7（B），（C）］.

Fig.7 Field effect transistor devices and nanosensors based on two⁃dimensional piezoelectric materials

2.4.5 纳米传感器件 由于压电材料在受到应力时会在外电路中产生电流，因此二维压电材料可以应用在压力传感器中［43，104］.Dai等［43］使用In2Se3作为传感材料，采用图5（A）中的制备工艺构筑透明柔性器件，并将这个柔性传感器连接到手腕和胸部［图7（D）］，用于实时监测人体的脉搏和呼吸，其测得的脉搏率与商用脉搏传感器的结果一致.测试结果如图7（E）所示，在脉搏检测方面，其可以区分出2个清晰的峰值，分别是左心室喷出的传入血波（P1）和下体的反射波（P2）.在呼吸检测方面，其可以准确记录正常呼吸、呼吸困难以及深呼吸这3种不同的呼吸状态.

除了应力传感器以外，基于二维压电材料的器件也可以用于设计气体传感器件，这是因为：（1）应变诱导的压电势可以改变材料表面的电势分布，因此可以用于调控压电材料与一些气体分子的结合能，有望实现气体分子的传感［26］.（2）压电材料的压电势可以调控界面能带的弯曲，因此可以调控气体传感器的输运性质，从而调节传感器的灵敏度［89，105，106］.如Peeters等［26］的理论计算表明，BN薄膜在受到应变时对氨气（NH3）分子的吸附能力大大增强，有望实现其对NH3的传感.Guo等［105］使用PET作为柔性基底，设计了基于MoS2的湿气传感器.由于MoS2导带内的电子转移性质主要受肖特基势垒和外加电场的影响，当没有应变时，外加电压使双端势垒高度不一致，如果此时有水分子吸附，水分子与MoS2之间会有电子转移，但水分子对势垒的影响很小；当受到拉伸应变时，压电势降低了势垒的高度，使器件输出电流明显增大，从而提升了湿气传感的灵敏度.在5%的湿度下，施加0.63%的拉伸应变可以将电流信号放大到4倍.

3 总结与展望

综上所述，目前理论和实验上已经证明了多种二维材料的压电性，并有一系列功能器件被报道甚至走向应用［43］.而且，由于二维材料性能多样，通过将材料自身的特性与压电性质结合，又为调控器件功能与性能提供了新机会，并有望带来更多新奇的现象和应用.如通过KPFM技术原位观测到了单层MoS2气泡上的压电场对光生载流子的分离作用，展示了其应用于光电探测器和太阳能电池的潜力.此外，也有报道基于同时具有半导体性和压电性的二维MoS2构建压电光电器件，可以通过压电势的调控提升（光）电子器件的性能［7，99］.基于此，本文系统总结了器件的设计、构筑和性能研究，希望能为此类器件的设计和构筑提供理论和方法上的启发.

然而，该领域还存在着诸多需要解决的科学问题.如应力往往会改变材料的电子结构［57，59，107］，对器件的性能也有很大的影响，在设计器件的过程中如何综合考虑压电势与应力的影响对提升器件的性能至关重要.另一方面，尽管实验证明单层二维材料的压电耦合系数高于其块状材料，但是其数值仍然低于目前常用的压电陶瓷.为了推进二维压电器件的实际应用，需要提高二维压电材料的压电转化效率.解决这个问题的关键在于增加二维材料的不对称性.具体可采取以下措施：（1）通过掺杂、引入缺陷或表面修饰以破坏二维材料对称性［108～110］.（2）通过粗糙或阵列基底模板，引起应变梯度，增大整体的结构不对称性［48，52，82，111］.（3）扭转或平移二维材料中的某一层，打破双层或多层的z轴对称性［22，90］.（4）使用不同的二维材料进行堆叠，构成范德华异质结.

二维材料压电器件的意义和应用还有很多，周围环境中有许多形式的能量可以收集和利用，如太阳能、机械能、热能、化学能和生物能源等.其中机械能分布最为广泛，其以不同的形式存在于环境中，但绝大多数却被忽视和浪费，如人体的运动、环境的机械振动甚至雨滴下落的动能等.二维压电材料由于其独特的柔韧性、机械稳定性以及可集成性，可以与现代芯片加工工艺兼容.如果能够将二维压电器件推向应用，将有望可以随时收集生活中的多种机械能并转化为电能，将其与电能存储设备连用，有望可以实现对手机等终端设备的实时供电.

此外，结合一些无毒性的二维材料，可以开发人体自供电的纳米器件，即可以收集来自人体血液流动、心跳以及人体运动的机械能，并实现人体的生物信号传感［112］；在光场下，二维压电材料中的压电势可以分离光生载流子，将太阳能转化为电能，有望开发自供电的透明柔性显示屏以及自供电的光电探测器等；结合异质结构中内建电场引起的热释电效应，基于二维压电材料的功能性器件性能有望进一步增强［113］.总之，二维压电材料的出现为功能性器件实现便携化、高性能、可集成带来了希望.随着对此类材料研究的不断深入，二维压电材料的选择范围还在不断扩大，引入应变及压电性能的新方法也在不断更新［114］.而更为重要的是，这些材料还可以通过范德华力层层组装成范德华异质结构，这为设计和构建具有更丰富性质和功能的复合材料和器件提供了新的途径和可能，期待可以带来更加综合广泛的应用.