2014年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)中心的徐志平研究組在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)－納米》（ACS Nano）期刊在線發(fā)表題為《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(duì)低維材料特性進(jìn)行調(diào)控提供了新的理解和設(shè)計(jì)參考。該論文第一作者為清華大學(xué)微納米力學(xué)中心2014級(jí)博士生宋智功，共同作者還包括美國(guó)萊斯大學(xué)的Boris I. Yakobson教授等合作者。
石墨烯作為單原子層厚度的二維材料，具有獨(dú)特的機(jī)械、電、光等性質(zhì)。與三維體相材料相比，空位、摻雜、位錯(cuò)等缺陷對(duì)于二維材料性質(zhì)的影響更為顯著。受到單晶石墨實(shí)驗(yàn)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(jí)，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@類(lèi)缺陷結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)將改變材料的性能和對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)，如會(huì)影響材料的機(jī)械剛度、強(qiáng)度特性，引起對(duì)電子、聲子輸運(yùn)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?duì)電子、聲子散射和機(jī)械剛度的影響會(huì)相對(duì)地減弱，而材料的強(qiáng)度由于取決于材料中最薄弱的部位，仍然會(huì)對(duì)缺陷的存在而敏感。
在這項(xiàng)發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)－納米》的工作中，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(duì)可看作石墨烯晶體中的刃位錯(cuò)。位錯(cuò)的堆積將引起與其堆積長(zhǎng)度成對(duì)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(qiáng)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?huì)使得石墨烯偏離平面構(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(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)試目前主要采用納米壓痕技術(shù)，通過(guò)壓力和壓入深入的關(guān)系推測(cè)材料的面內(nèi)力學(xué)特性。這項(xiàng)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(guò)此類(lèi)局部探測(cè)技術(shù)進(jìn)行表征－壓痕所測(cè)得等效剛度、強(qiáng)度與離面變形的幅度相關(guān)，對(duì)于特殊的缺陷構(gòu)型甚至?xí)霈F(xiàn)測(cè)量所得剛度、強(qiáng)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(duì)基于石墨烯的納米機(jī)械器件與材料的應(yīng)用，必須同時(shí)對(duì)缺陷引起的拓?fù)渑c幾何效應(yīng)進(jìn)行考慮。
