香港城市大学 图1:通过纳米力学测试平台，揭示了单层六方氮化硼(h-BN)的完全可恢复弹性可达6
2%
学分:香港城市大学 由于其独特的物理、化学、电学和光学性质，二维材料在过去的几十年中引起了极大的关注
在揭示了绰号为“黑金”的石墨烯的真实强度和可拉伸性后，香港城市大学(CityU)的研究人员通过揭示六方氮化硼(h-BN)的高缺陷容限和弹性来推进这一成功，六方氮化硼是另一种被称为“白色石墨烯”的二维材料
「这项跟进研究将促进应变工程、压电电子学和弹性电子学的未来发展和应用
自从2004年英国科学家首次从大块石墨中剥离出单原子厚的微晶以来，二维材料的研究取得了快速进展
新的二维材料已经被发现，包括六方氮化硼(h-BN)，本文的重点，过渡金属二硫化钼(TMDs)如二硫化钼，和黑磷(BP)
这些成功隔离的二维材料具有不同的带隙(从0到6 eV)，范围从导体、半导体到绝缘体，这说明了它们在电子器件应用中的潜力
材料的导电性由能带决定
当价带和导带之间存在很小的能隙(带隙值接近于0)时，电子可以在两个能带之间自由运动，即导体
当价带与导带之间的间隙较大(带隙值接近6)时，电子被束缚在价带内，不能自由跳跃，即绝缘体
当带隙值可以由外部施加的电场控制时，即半导体
氢氮化硼有时被称为“白色石墨烯”，与石墨烯具有相似的结构
对其机械性能和热稳定性的理论估计也与石墨烯相当
由于它的超宽带隙约6电子伏，氢氮化硼可用于光电子学或作为石墨烯或其他二维材料为基础的电子介质基板
更重要的是，它的带隙可以通过弹性应变工程(ESE)方法来修改，其中材料带结构可以通过晶格应变或变形来显著调整
值得一提的是，h-BN可以提高石墨烯器件的性能
与石墨烯的原子结构相似，单层h-BN具有较小的晶格失配和超平坦的表面，可以显著提高石墨烯的载流子密度
载流子密度表示参与传导的载流子数量，这是影响电导率的关键因素之一
此外，超宽带隙使氢氮化硼成为石墨烯和其他基于二维材料的电子器件的理想电介质基底
由于没有对称中心，预测单层h-BN在机械应变下表现出诱导压电势
然而，这些迷人的特性和应用总是需要相对较大和均匀的变形
事实上，所有材料都需要有可靠的机械性能，才能用于实际设备
即使存在约100纳米的空隙，单层h-BN也能承受约5的大弹性应变
8%
弹性极限的轻微降低表明其高缺陷容限
学分:香港城市大学 这就是为什么研究人员尝试了不同的方法来探索石墨烯和其他二维材料在不同条件下的机械响应
然而，大多数测试使用基于原子力显微镜(AFM)的纳米压痕技术，其中压头尖端的尺寸限制了样品的测试区域，并且应变非常不均匀
此外，涉及将二维材料样品转移到柔性基底上以引入拉伸的研究面临某些限制
由于二维材料与基底界面之间的弱粘附性，在二维材料样品上施加大的应变是非常困难的
因此，大块独立式单层氢氮化硼的拉伸以及自然产生的缺陷对其机械强度的影响仍未被探索
在过去的三年里，由Dr
城市大学机械工程系副教授杨璐与清华大学的另一个团队不知疲倦地合作，开发了世界上第一种用于独立二维材料的定量原位拉伸测试技术
最近，他们的研究工作从单层石墨烯扩展到了氢氮化硼
利用该团队先前开发的二维纳米力学平台，研究人员首次成功地对独立式单层氢氮化硼进行了定量拉伸应变(见图1)
实验表明，其完全恢复弹性可达6
2%，相应的二维杨氏模量约为200牛顿/米
这项研究的另一个重点是探索氢氮化硼的天然缺陷对结构完整性和机械强度的影响
研究小组发现，含有约100纳米空隙的单层氢氮化硼甚至可以应变到5
8%(见电影/GIF)
原子模拟和连续模拟表明，与样品制备过程中引入的缺陷相比，氢氮化硼的弹性极限实际上不受自然发生的原子缺陷(如晶界和空位)的影响
那些亚微米级的空隙并没有什么害处，只是把氢氮化硼的弹性极限从6降低了
2%至5%
8%，这表明其高缺陷容限
“基于我们的实验平台，我们设法研究了另一种重要的二维材料的机械特性
首次证明了单层h-BN的高刚度和大的均匀弹性变形
这些令人鼓舞的结果不仅有助于氢氮化硼在应变工程、压电电子学和柔性电子学中的应用，而且为改善二维复合材料和器件的性能提供了一种新的途径
他们也提供了一个强大的工具来探索其他二维材料的机械特性
鲁说
他们的发现发表在《细胞报告物理科学》上，这是一份来自细胞出版社的开放存取期刊，标题为“六方氮化硼单层的大弹性变形和缺陷容限”
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