采集太陽能并將之轉變為電能是一直以來非常重要的課題。北京大學物理學院量子材料科學中心的馮濟在近期的工作提出，通過應變構造所謂的“太陽能漏斗”，為這一個課題提供全新的視角。這一工作發表在《自然—光子學》[Ji Feng, et al. Nature Photonics 6, 886-872 (2012); doi:10.1038/nphoton.2012.285]上。

 

傳統的材料所能承受的拉伸彈性應變通常不會超過0.2%。最近出現的一類新型低維材料，如石墨烯，單層二硫化鉬等，能夠承受巨大的彈性拉伸。馮濟及其合作者考慮如何運用彈性應變為材料帶來前所未有的性能。他們設想讓探針頂壓懸浮的彈性薄膜，構造出一個不均勻的應變場。彈性應變在微觀上對應的是化學鍵的拉伸或者壓縮，改變材料中電子（或者載流子）的能量。不均勻的應變分布就可以引發一個對載流子的有效電場。如果在一個器件中實現應力集中，即能實現通過應力場來集中載流子。這就好像一個載流子“漏斗”。馮濟及其合作者提出的器件的幾何形狀也正好是漏斗形（如圖）。

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

作為概念演示，馮濟與合作者針對單層二硫化鉬開展數值模擬。單層二硫化鉬是目前備受關注的量子材料。馮濟和王恩哥在之前的合作中，演示了單層二硫化鉬具有被稱為“谷”的量子自由度，體現出“谷”圓二色光選擇性及量子輸運特性[Ting Cao et al. Nature Communications 3, 887 (2012)]。除了特異的光學性能，二硫化鉬還是一個只有0.6納米厚的超強度彈性晶體薄膜，可以承載11%的彈性應變。馮濟與合作者通過基于密度泛函之GW近似，求解Bethe-Salpeter方程，得出二硫化鉬中的準粒子能量（電子、空穴和激子）。計算顯示，二硫化鉬中的準粒子能量對應變非常敏感，其激子能量在材料的強度范圍之內可以改變0.7 eV之多。結合經典分子動力學計算出頂壓下的單層二硫化鉬的應變分布，馮濟及其合作者演示了這一設計的可行性。

應變和應變場對材料的許多性能在量子層面具有深刻影響。馮濟的工作展示了非均勻應變場在調控載流子方面的獨特能力。彈性應變具有d(d+1)/2個維度（d是材料的維度），相應的應變場則是一個d(d+3)/2維的連續變量，對材料性能具有豐富多變的調控能力。在超強度材料嶄露頭角的今天，不難預見彈性應變工程將是一個具有理論和技術價值的科研方向。哥倫比亞大學的James Hone教授在《自然-光學》同期的News and Views上對馮濟的工作發表評述[Nature Photonics 6, 804-806 (2012)]，也對彈性應變工程的潛力給予高度評價。

這項工作是與MIT材料系和核工程系的李巨教授、錢曉峰博士和Cheng-Wei Huang合作完成的，受到中國自然科學基金委、973計劃、美國NSF及空軍等的資助。