徐志平等揭示二維材料奇異力學(xué)特性中的拓?fù)渑c幾何效應(yīng)
清華新聞網(wǎng)12月18日電 12月18日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系、清華大學(xué)微納米力學(xué)中心徐志平研究組在《美國化學(xué)學(xué)會－納米》（ACS Nano）期刊在線發(fā)表題為Defect-Detriment To Graphene Strength Is Concealed By Local Probe: The Topological And Geometrical Effects（含缺陷石墨烯的力學(xué)：拓?fù)浜蛶缀涡?yīng)）的研究論文，揭示了含有拓?fù)淙毕莸氖┰诹W(xué)載荷下的行為，并指出其在整體和局部力學(xué)載荷下的響應(yīng)并不等同，甚至迥異。這一發(fā)現(xiàn)為低維材料的力學(xué)表征以及利用缺陷對低維材料特性進(jìn)行調(diào)控提供了新的理解和設(shè)計參考。
基于原子模擬的研究揭示了缺陷對石墨烯力學(xué)特性影響的拓?fù)浜蛶缀涡?yīng)。
石墨烯作為單原子層厚度的二維材料，具有獨特的機械、電、光等性質(zhì)。與三維體相材料相比，空位、摻雜、位錯等缺陷對于二維材料性質(zhì)的影響更為顯著。受到單晶石墨實驗制備手段的限制，石墨烯晶粒尺度大小目前最高僅可達(dá)到厘米量級，因此宏觀尺度的石墨烯連續(xù)薄膜往往有著多晶的微觀結(jié)構(gòu)。由于不同晶粒取向之間的差異，在晶界處存在著大量的拓?fù)淙毕荩绮煌趩尉┲辛呅蔚奈濉⑵哌呅谓Y(jié)構(gòu)。這類缺陷結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)將改變材料的性能和對外場的響應(yīng)，例如會影響材料的機械剛度、強度特性，引起對電子、聲子輸運的散射等。隨著晶粒尺度的增加，即相同尺寸樣品中缺陷濃度的下降，拓?fù)淙毕輰﹄娮印⒙曌由⑸浜蜋C械剛度的影響會相對地減弱，而材料的強度由于取決于材料中最薄弱的部位，仍然會對缺陷的存在而敏感。
左為含有孤立五邊形的錐形石墨烯片，右為含有孤立七邊形的馬鞍形石墨烯片。
徐志平研究組研究了含拓?fù)淙毕菔┰诰植亢驼w力學(xué)載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了缺陷的拓?fù)浜蛶缀涡?yīng)。多晶石墨烯晶界處存在大量的五、七邊形，其配對可看作石墨烯晶體中的刃位錯。位錯的堆積將引起與其堆積長度成對數(shù)關(guān)系的應(yīng)力累積，從而在力學(xué)載荷下體現(xiàn)出隨晶粒增大而材料強度降低的贗Hall-Petch關(guān)系等拓?fù)湫?yīng)。此外，拓?fù)淙毕莸拇嬖跁沟檬┢x平面構(gòu)型，出現(xiàn)離面的幾何變形。例如，含有孤立五、七邊形缺陷的石墨烯將分別變形成為具有正高斯曲率的錐形和負(fù)高斯曲率的馬鞍形。由于對二維材料進(jìn)行面內(nèi)拉伸等整體力學(xué)加載技術(shù)難度較大，石墨烯力學(xué)特性的實驗測試目前主要采用納米壓痕技術(shù)，通過壓力和壓入深入的關(guān)系推測材料的面內(nèi)力學(xué)特性。這項研究發(fā)現(xiàn)拓?fù)淙毕莸膸缀涡?yīng)使得其力學(xué)特性難以通過此類局部探測技術(shù)進(jìn)行表征－壓痕所測得等效剛度、強度與離面變形的幅度相關(guān)，對于特殊的缺陷構(gòu)型甚至?xí)霈F(xiàn)測量所得剛度、強度等力學(xué)性能要優(yōu)于單晶石墨烯的假象，而這與面內(nèi)拉伸等整體載荷作用下材料因缺陷而減弱的響應(yīng)是不一致的。因此針對基于石墨烯的納米機械器件與材料 的應(yīng)用，必須同時對缺陷引起的拓?fù)渑c幾何效應(yīng)進(jìn)行考慮。
由于石墨烯等二維材料中的每一個原子都暴露在環(huán)境中，拓?fù)淙毕蒿@著的拓?fù)浜蛶缀涡?yīng)也提供了一種原子尺度材料設(shè)計、改性的思路。通過控制生長、熱或輻射處理等方式引入恰當(dāng)?shù)娜毕莘N類并設(shè)計其結(jié)構(gòu)與空間分布，可實現(xiàn)原子尺度的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計或者局部應(yīng)力應(yīng)變調(diào)控。例如可以通過恰當(dāng)?shù)匾胪負(fù)淙毕輼?gòu)建用于實現(xiàn)具有一定幾何形狀、尺寸的選擇性水或離子流動納米通道、用于光電子器件的原子尺度超晶格結(jié)構(gòu)等。
左圖為缺陷幾何效應(yīng)對石墨烯力學(xué)響應(yīng)的影響示意；中圖為石墨烯中晶界處五、七邊形拓?fù)淙毕莘植迹挥覉D為納米壓痕測量力學(xué)響應(yīng)時局部缺陷類型與其剛度、強度的關(guān)聯(lián)。圖中的五、七邊形符號對應(yīng)在三晶界交匯處的缺陷類型，六邊形為單晶石墨烯的數(shù)據(jù)。
該論文通訊作者為徐志平和美國萊斯大學(xué)Boris I. Yakobson（雅各布遜）教授，第一作者為清華大學(xué)航院微納米力學(xué)中心2014級博士生宋智功，其他合作者包括清華大學(xué)航天航空學(xué)院吳堅副研究員、美國萊斯大學(xué)的Vasilii I. Artyukhov（阿爾特尤克霍）博士。徐志平博士于2010年入職于清華大學(xué)工程力學(xué)系、微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心，任副研究員，研究興趣為微納米尺度下的能量傳遞、轉(zhuǎn)換過程，材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)聯(lián)等物理力學(xué)問題，以及這些基礎(chǔ)研究在環(huán)境、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。
這些研究工作受到國家自然科學(xué)基金委員會、清華大學(xué)引智計劃等資助。研究中的計算模擬工作在清華大學(xué)高性能計算中心探索100平臺上完成。
文章鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn505510r
供稿：航天航空學(xué)院 編輯：蕾蕾
