探索二维材料:科研人员首次展示“白色石墨烯”的高弹性和抗缺陷能力

二维材料独特的物理、化学、电学和光学性质,令它们过去十多年成为国际间不同科学领域的研究热点。香港城巿大学(香港城大)的科研人员继首次测试出“黑色黄金”石墨烯(graphene)的实际拉伸能力和工程强度后,今年之内再下一城,首次验证了另一种重要二维材料、别称“白色石墨烯”的六方氮化硼(hexagonal boron nitride, h-BN)在弹性方面的表现,并展示其出乎意料的强大抗缺陷能力。这项后续研究,有望推动未来h-BN应变工程、压电电子学和柔性电子学的发展和应用。

二维材料这个领域的探索,由2004年英国科学家从块状石墨中成功分离出单层石墨烯揭开序幕。自此针对二维材料的研究高速发展,出现了更多的二维材料,种类多样,包括是次研究的焦点六方氮化硼(h-BN)、过渡金属二卤化物(TMDs)如二硫化钼(MoS2),还有黑磷(BP)等。迄今为止,成功分离的二维材料具有不同的带隙值(energy band gap)(约由0至6eV),涵盖导体、半导体以及绝缘体¹,展现了二维材料在电子器件应用方面的潜力。

¹材料的导电性质由能带(energy band)决定。当价带(valence band)和导带(conduction band)的带隙很小,即带隙值接近0,电子可在能带之间自由跃动,就是导体。当价带和导带的带隙很宽,即带隙值接近6,电子困于价带无法自由跃动,就是绝缘体。带隙值在两者之间,导电和绝缘可由外部施加的电流来控制,就是半导体。

被喻为“白色石墨烯”的h-BN与石墨烯的结构极相似,具有可与石墨烯媲美的理论力学性能(即只从理论上推断,未经实证)和热稳定性,还有超宽带隙(约6eV),常用于光电器件,或作为石墨烯和其他二维电子器件的原子级平面电介质;并可通过弹性应变工程,即以几何变形的方法调整材料的能带结构,显著调节其带隙。

值得一提的是h-BN能提升石墨烯的性能,它与石墨烯都具有极小的晶格匹配差,可大幅提高石墨烯的载流子密度,而载流子密度正是决定导电时有多少载流子能参与导电,是主宰导电性能的关键之一。h-BN原子级平整的表面,以及它所具备的超宽带隙(约6eV),使其成为石墨烯及其他器件的理想电介质基底。此外,由于没有对称中心,理论上单层h-BN受外力加载下会产生电荷,具有良好的压电特性(piezoelectricity)潜力。

不过,这些都需要单层h-BN具有可靠的力学性能,并能承受较大的均匀弹性变形,才可发挥其功能特性。事实上,任何材料都需要具备可靠的机械性能,才可广泛应用于实际的器件里。

因此,科研人员一直采用不同方法,探索石墨烯以及其他二维材料在各种条件下的力学响应。然而,大多数的力学测试都是采用原子力显微镜的纳米压痕技术,应力分布极不均匀,集中在压头接触部位,只能测试得到二维材料某一点所能承受的局部最大压力。此外,将二维材料转移到柔性基底上施加应变的研究也十分有限。而鉴于二维材料的原子级厚度,在技术上直接拉伸挑战极大,至今仍未有科研人员尝试直接拉伸测试悬空的单层h-BN,亦未曾鉴定h-BN中的缺陷对其力学性能的影响。

探索二维材料:科研人员首次展示“白色石墨烯”的高弹性和抗缺陷能力
图一:透过纳米力学拉伸平台,测试出单层六方氮化硼(h-BN)可实现高达6.2%的完全可回复弹性变形。

不过,香港城大机械工程学系副教授陆洋博士领导的研究团队之前便联同清华大学徐志平教授的团队,花上三年多时间,成功研发出世界领先的单层二维材料的样本制备和定量原位拉伸测试技术。最近,他们两支团队便再次联手,将有关测试技术推展至h-BN。

他们采用先前为测试单层石墨烯而开发的纳米力学平台,首次对悬空的单层h-BN进行直接拉伸定量观测(见图一),实现了约6.2%的完全可回复的弹性变形,对应弹性模量(Young’s modulus)则约为200N/m。

研究的另一重点,是探讨h-BN自然产生的缺陷对其力学性能的影响。团队发现,即使单层h-BN包含约百余纳米的孔隙(voids),仍可达到约5.8%的最大弹性变形 (见图二)。原子模拟和连续模拟显示,与制备样品时引入的缺陷相比,h-BN弹性极限几乎不受自然产生的原子级缺陷(如晶界和空位)影响。而那些亚微米孔隙(submicrometre voids)仅轻微降低了h-BN的弹性极限(例如由6.2%仅降至5.8%),由此可见h-BN强大的抗缺陷能力。

探索二维材料:科研人员首次展示“白色石墨烯”的高弹性和抗缺陷能力
图二:即使单层h-BN包含约百余纳米的孔隙(voids),仍可达到5.8%的弹性变形,仅轻微降低了其弹性极限,足见h-BN强大的抗缺陷能力。

陆博士说:“我们基于自创的纳米力学平台,拓展了测试二维材料力学性能的研究,首次展示了单层h-BN的高刚度(stiffness)以及均匀可控的大弹性变形,研究结果令人鼓舞,不仅对h-BN未来在弹性应变工程、压电器件和柔性电子学应用尤其重要,亦提出强化二维复合材料性能的新路径,更为探索其他二维材料的力学性能及应用提供有力的工具。”

这项研究结果在细胞出版社(Cell Press)旗下期刊《Cell Reports Physical Science》发表,题为〈Large Elastic Deformation and Defect Tolerance of Hexagonal Boron Nitride Monolayers〉。陆洋博士和清华大学工程力学系的徐志平教授为论文的共同通讯作者。论文的共同第一作者为香港城大机械工程学系博士生韩英和博士毕业生曹可(现为西安电子科技大学机电工程学院副教授),以及清华大学工程力学系的博士生冯诗喆。其他香港城大研究团队成员包括机械工程学系博士生王月皎和博士毕业生高立波博士(现为西安电子科技大学副教授)。这项研究得到香港城大、香港研究资助局和国家自然科学基金的支持。

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