探索二維物料再下一城 首次展示「白色石墨烯」的高彈性和抗缺陷能力

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二維物料獨特的物理、化學、電學和光學性質,令它們過去十多年成為國際間不同科學領域的研究熱點。香港城巿大學(香港城大)的科研人員繼首次測試出「黑色黃金」石墨烯(graphene)的實際拉伸能力和工程強度後,今年之內再下一城,首次驗證了另一種重要二維材料、別稱「白色石墨烯」的六方氮化硼(hexagonal boron nitride, h-BN)在彈性方面的表現,並展示其出乎意料的強大抗缺陷能力。這項後續研究,有望推動未來h-BN應變工程、壓電電子學和柔性電子學的發展和應用。

二維物料這個領域的探索,由2004年英國科學家從塊狀石墨中成功分離出單層石墨烯揭開序幕。自此針對二維物料的研究高速發展,出現了更多的二維物料,種類多樣,包括是次研究的焦點六方氮化硼(h-BN)、過渡金屬二鹵化物(TMDs)如二硫化鉬(MoS2),還有黑磷(BP)等。迄今為止,成功分離的二維物料具有不同的帶隙值(energy bandgap)(約由0至6 eV),涵蓋導體、半導體以及絕緣體1,展現了二維物料在電子器件應用方面的潛力。

1 料的導電性質由能帶(energy band)決定。當價帶(valence band)和導帶(conduction band)的帶隙很小,即帶隙值接近0,電子可在能帶之間自由躍動,就是導體。當價帶和導帶的帶隙很寬,即帶隙值接近6,電子困於價帶無法自由躍動,就是絕緣體。帶隙值在兩者之間,導電和絕緣可由外部施加的電流來控制,就是半導體。

被喻為「白色石墨烯」的h-BN與石墨烯的結構極相似,具有可與石墨烯媲美的理論力學性能(即只從理論上推斷,未經實證)和熱穩定性,還有超寬帶隙(約6 eV),常用於光電器件,或作為石墨烯和其他二維電子器件的原子級平面電介質;並可通過彈性應變工程,即以晶格幾何變形的方法調整物料的能帶結構,顯著調節其帶隙。

值得一提的是h-BN能提升石墨烯的性能,它與石墨烯都具有極小的晶格匹配差,可大幅提高石墨烯的載流子密度,而載流子密度正是決定導電時有多少載流子能參與導電,是主宰導電性能的關鍵之一。h-BN原子級平整的表面,以及它所具備的超寬帶隙(約6 eV),使其成為石墨烯及其他器件的理想電介質基底。此外,由於沒有對稱中心,理論上單層h-BN受外力加載下會產生電荷,具有良好的壓電特性(piezoelectricity)潛力。

不過,這些都需要單層h-BN具有可靠的力學性能,並能承受較大的均勻彈性變形,才可發揮其功能特性。事實上,任何物料都需要具備可靠的機械性能,才可廣泛應用於實際的器件裡。

因此,科研人員一直採用不同方法,探索石墨烯以及其他二維物料在各種條件下的力學響應。然而,大多數的力學測試都是採用原子力顯微鏡的納米壓痕技術,應力分布極不均勻,集中在壓頭接觸部位,只能測試得到二維物料某一點所能承受的局部最大壓力。此外,將二維物料轉移到柔性基底上施加應變的研究也十分有限。而鑑於二維物料的原子級厚度,在技術上直接拉伸挑戰極大,至今仍未有科研人員嘗試直接拉伸測試懸空的單層h-BN,亦未曾鑒定h-BN中的缺陷對其力學性能的影響。

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圖一:透過納米力學拉伸平台,測試出單層六方氮化硼(h-BN)可實現高達6.2%的完全可回復彈性變形。

 

不過,香港城大機械工程學系副教授陸洋博士領導的研究團隊之前便聯同清華大學徐志平教授的團隊,花上三年多時間,成功研發出世界領先的單層二維物料的樣本制備和定量原位拉伸測試技術。最近,他們兩支團隊便再次聯手,將有關測試技術推展至h-BN。

他們採用先前為測試單層石墨烯而開發的納米力學平台,首次對懸空的單層h-BN進行直接拉伸定量觀測(見圖一),實現了約6.2%的完全可回復的彈性變形,對應彈性模量(Young's modulus)則約為200 N/m。

研究的另一重點,是探討h-BN自然產生的缺陷對其力學性能的影響。團隊發現,即使單層h-BN包含約百餘納米的孔隙(voids),仍可達到約5.8%的最大彈性變形 (見圖二)。原子模擬和連續模擬顯示, 與製備樣品時引入的缺陷相比,h-BN彈性極限幾乎不受自然產生的原子級缺陷(如晶界和空位)影響。而那些亞微米孔隙(voids)仅輕微降低了h-BN的彈性極限(例如由6.2%至5.8%),由此可見h-BN強大的抗缺陷能力。

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圖二:即使單層h-BN包含約百餘納米的孔隙(voids),仍可達到5.8%的彈性變形,仅輕微降低了其彈性極限,足見h-BN強大的抗缺陷能力。

 

陸博士說:「我們基於自創的納米力學平台,拓展了測試二維物料力學性能的研究,首次展示了單層h-BN的高剛度(stiffness)以及均勻可控的大彈性變形,研究結果令人鼓舞,不僅對h-BN未來在彈性應變工程、壓電器件和柔性電子學應用尤其重要,亦提出強化二維復合材料性能的新路徑,更為探索其他二維物料的力學性能及應用提供有力的工具。」

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香港城大機械工程學系陸洋博士和他的博士生韓英。

 

這項研究結果在細胞出版社(Cell Press)旗下期刊《Cell Reports Physical Science》發表,題為〈Large Elastic Deformation and Defect Tolerance of Hexagonal Boron Nitride Monolayers〉。陸洋博士和清華大學工程力學系的徐志平教授為論文的共同通訊作者。論文的共同第一作者為香港城大機械工程學系博士生韓英和博士畢業生曹可(現為西安電子科技大學機電工程學院副教授),以及清華大學工程力學系的博士生馮詩喆。他香港城大研究團隊成員包括機械工程學系博士生王月皎和博士畢業生高立波博士(現為西安電子科技大學副教授)。這項研究得到香港城大、香港研究資助局和國家自然科學基金的支持。

DOI number: 10.1016/j.xcrp.2020.100172

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