Hvid grafen udviser høj defekttolerance og elasticitet

På grund af deres unikke fysiske, kemisk, elektriske og optiske egenskaber, todimensionelle (2-D) materialer har tiltrukket sig enorm opmærksomhed i de sidste årtier. Efter at have afsløret den realistiske styrke og strækbarhed af grafen, kaldet "sort guld, " forskere fra City University of Hong Kong (CityU) har videreført succesen ved at afsløre den høje defekttolerance og elasticitet af hexagonal bornitrid (h-BN), et andet 2-D materiale kendt som "hvid grafen." Denne opfølgende undersøgelse vil fremme fremtidig udvikling og anvendelser af strain engineering, piezoelektronik og fleksibel elektronik.

Siden britiske videnskabsmænd eksfolierede enkeltatom-tykke krystallitter fra bulkgrafit i 2004 for første gang, forskning i 2-D materialer har gennemgået hurtige fremskridt. Nye 2-D materialer er blevet opdaget, inklusive hexagonalt bornitrid (h-BN), fokus i denne artikel, overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er) såsom MoS2, og sort fosfor (BP). Disse med succes isolerede 2D-materialer har forskellige båndgab (fra 0 til 6 eV), og spænder fra dirigenter, halvledere til isolatorer, som illustrerer deres potentiale i applikationer til elektroniske enheder.

Et materiales ledningsevne bestemmes af energibånd. Når der er et lille energigab mellem valensbåndet og ledningsbåndet (båndgabværdien er tæt på 0), elektroner kan bevæge sig frit mellem de to energibånd, det er en dirigent. Når afstanden mellem valensbåndet og ledningsbåndet er stort (båndgabværdien er tæt på 6), elektroner er fanget i valensbåndet og kan ikke hoppe frit, det er en isolator. Når båndgabet-værdien kan styres af eksternt påført elektrisk felt, det er en halvleder.

Nogle gange omtalt som "hvid grafen, " h-BN deler en lignende struktur med grafen. De teoretiske estimater af dets mekaniske egenskaber og dets termiske stabilitet er også sammenlignelige med grafen. På grund af dets ultra-brede båndgab på ~6 eV, h-BN kan tjene i optoelektronik eller som et dielektrisk substrat for grafen eller anden 2-D materialebaseret elektronik. Vigtigere, dens båndgab kunne modificeres via den elastiske strain engineering (ESE) tilgang, hvor materialebåndstrukturen kan justeres væsentligt ved gitterspænding eller forvrængning.

Det er værd at nævne, at h-BN kan forbedre ydeevnen af ​​grafenenheder. Svarende til grafens atomstruktur, monolag h-BN har en lille gittermismatch og ultra-flad overflade, hvilket kan forbedre grafens bærertæthed betydeligt. Bæretæthed repræsenterer antallet af bærere, der deltager i ledning, hvilket er en af ​​nøglefaktorerne, der bidrager til elektrisk ledningsevne. Ud over, det ultra-brede båndgab gør h-BN til et ideelt dielektrisk substrat til grafen og anden 2-D materialebaseret elektronik. Har ikke noget symmetricenter, monolag h-BN forudsiges at udvise induceret piezoelektrisk potentiale under mekaniske belastninger.

Imidlertid, disse fascinerende egenskaber og anvendelser kræver altid relativt store og ensartede deformationer. Faktisk, alle materialer skal have pålidelige mekaniske egenskaber, før de kan bruges i praktiske enheder.

Det er derfor, forskere har prøvet forskellige tilgange til at udforske de mekaniske reaktioner af grafen og andre 2-D materialer under forskellige forhold. Endnu, de fleste af testene bruger nanoindentationsteknikken baseret på atomkraftmikroskopi (AFM), hvor størrelsen af ​​indenterspidsen begrænser prøvens testområde, og stammen er meget uensartet.

I øvrigt, forskning, der involverer overførsel af prøver af 2-D materialer til et fleksibelt substrat for at indføre strækning, har stået over for visse begrænsninger. På grund af den svage vedhæftning mellem 2-D materialer og substratgrænseflade, det er meget udfordrende at påføre store belastninger på prøverne af 2-D materialer. Derfor forbliver trækstrækning af store stykker fritstående monolag h-BN og virkningerne af naturligt forekommende defekter på dets mekaniske robusthed stort set uudforskede.

I løbet af de seneste tre år har forskerholdet ledet af Dr. Lu Yang, Lektor ved Department of Mechanical Engineering (MNE) ved CityU arbejdede utrætteligt sammen med et andet team fra Tsinghua University for at udvikle verdens allerførste kvantitative in-situ træktestteknik til fritstående 2-D materialer. For nylig, de har udvidet deres forskningsindsats fra monolagsgrafen til h-BN.

Ved at bruge den 2-D nanomekaniske platform, der tidligere er udviklet af holdet, forskerne udførte med succes kvantitativ trækspænding på fritstående monolag h-BN for første gang (se figur 1). Eksperimentet viste, at dets fuldt genvindelige elasticitet var op til 6,2 %, og det tilsvarende 2-D Youngs modul var omkring 200 N/m.

Et andet fokus for forskningen var at udforske virkningerne af h-BN's naturligt forekommende defekter på strukturel integritet og mekanisk robusthed. Holdet opdagede, at monolag h-BN indeholdende hulrum på ~100 nm kan endda belastes op til 5,8 % (se film/GIF). De atomistiske simuleringer og kontinuumssimuleringer viste, at sammenlignet med de ufuldkommenheder, der blev introduceret under prøveforberedelsen, den elastiske grænse for h-BN er praktisk talt immun over for naturligt forekommende atomistiske defekter (såsom korngrænser og ledige pladser). Disse sub-mikrometer hulrum er ikke skadelige, kun at reducere elasticitetsgrænsen for h-BN fra ~6,2% til ~5,8%, hvilket viser sin høje defekttolerance.

"Baseret på vores eksperimentelle platform, vi formåede at undersøge de mekaniske egenskaber af et andet vigtigt 2-D materiale. For første gang, vi demonstrerede den høje stivhed og store ensartede elastiske deformation af monolag h-BN. De opmuntrende resultater bidrager ikke kun til udviklingen af ​​h-BN-applikationer inden for strain engineering, piezoelektronik og fleksibel elektronik, men foreslår også en ny måde at forbedre ydeevnen af ​​2-D kompositter og enheder. De giver også et kraftfuldt værktøj til at udforske de mekaniske egenskaber af andre 2-D materialer, " sagde Dr. Lu.

Deres resultater blev offentliggjort i Cell Rapporter Fysisk Videnskab , en åben adgangsjournal fra Cell Press, med titlen "Stor elastisk deformation og defekttolerance af Hexagonal Boron Nitride Monolayers."