徐志平等揭示二維材料奇異力學特性中的拓撲與幾何效應

2020-12-06 清華大學新聞網

徐志平等揭示二維材料奇異力學特性中的拓撲與幾何效應

　　清華新聞網12月18日電 12月18日，清華大學航天航空學院工程力學系、清華大學微納米力學中心徐志平研究組在《美國化學學會－納米》（ACS Nano）期刊在線發表題為Defect-Detriment To Graphene Strength Is Concealed By Local Probe: The Topological And Geometrical Effects（含缺陷石墨烯的力學：拓撲和幾何效應）的研究論文，揭示了含有拓撲缺陷的石墨烯在力學載荷下的行為，並指出其在整體和局部力學載荷下的響應並不等同，甚至迥異。這一發現為低維材料的力學表徵以及利用缺陷對低維材料特性進行調控提供了新的理解和設計參考。

 

基於原子模擬的研究揭示了缺陷對石墨烯力學特性影響的拓撲和幾何效應。

　　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。與三維體相材料相比，空位、摻雜、位錯等缺陷對於二維材料性質的影響更為顯著。受到單晶石墨實驗製備手段的限制，石墨烯晶粒尺度大小目前最高僅可達到釐米量級，因此宏觀尺度的石墨烯連續薄膜往往有著多晶的微觀結構。由於不同晶粒取向之間的差異，在晶界處存在著大量的拓撲缺陷，例如不同於單晶石墨烯中六邊形的五、七邊形結構。這類缺陷結構的出現將改變材料的性能和對外場的響應，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，拓撲缺陷對電子、聲子散射和機械剛度的影響會相對地減弱，而材料的強度由於取決於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撲缺陷石墨烯在局部和整體力學載荷作用下的力學響應，發現了缺陷的拓撲和幾何效應。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關係的應力累積，從而在力學載荷下體現出隨晶粒增大而材料強度降低的贗Hall-Petch關係等拓撲效應。此外，拓撲缺陷的存在會使得石墨烯偏離平面構型，出現離面的幾何變形。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高斯曲率的馬鞍形。由於對二維材料進行面內拉伸等整體力學加載技術難度較大，石墨烯力學特性的實驗測試目前主要採用納米壓痕技術，通過壓力和壓入深入的關係推測材料的面內力學特性。這項研究發現拓撲缺陷的幾何效應使得其力學特性難以通過此類局部探測技術進行表徵－壓痕所測得等效剛度、強度與離面變形的幅度相關，對於特殊的缺陷構型甚至會出現測量所得剛度、強度等力學性能要優於單晶石墨烯的假象，而這與面內拉伸等整體載荷作用下材料因缺陷而減弱的響應是不一致的。因此針對基於石墨烯的納米機械器件與材料 的應用，必須同時對缺陷引起的拓撲與幾何效應進行考慮。

　　由於石墨烯等二維材料中的每一個原子都暴露在環境中，拓撲缺陷顯著的拓撲和幾何效應也提供了一種原子尺度材料設計、改性的思路。通過控制生長、熱或輻射處理等方式引入恰當的缺陷種類並設計其結構與空間分布，可實現原子尺度的幾何結構設計或者局部應力應變調控。例如可以通過恰當地引入拓撲缺陷構建用於實現具有一定幾何形狀、尺寸的選擇性水或離子流動納米通道、用於光電子器件的原子尺度超晶格結構等。

　　左圖為缺陷幾何效應對石墨烯力學響應的影響示意；中圖為石墨烯中晶界處五、七邊形拓撲缺陷分布；右圖為納米壓痕測量力學響應時局部缺陷類型與其剛度、強度的關聯。圖中的五、七邊形符號對應在三晶界交匯處的缺陷類型，六邊形為單晶石墨烯的數據。

　　該論文通訊作者為徐志平和美國萊斯大學Boris I. Yakobson（雅各布遜）教授，第一作者為清華大學航院微納米力學中心2014級博士生宋智功，其他合作者包括清華大學航天航空學院吳堅副研究員、美國萊斯大學的Vasilii I. Artyukhov（阿爾特尤克霍）博士。徐志平博士於2010年入職於清華大學工程力學系、微納米力學與多學科交叉創新研究中心，任副研究員，研究興趣為微納米尺度下的能量傳遞、轉換過程，材料細觀結構與宏觀性能關聯等物理力學問題，以及這些基礎研究在環境、能源等領域的應用。

　　這些研究工作受到國家自然科學基金委員會、清華大學引智計劃等資助。研究中的計算模擬工作在清華大學高性能計算中心探索100平臺上完成。

　　文章連結：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn505510r  

供稿：航天航空學院　編輯：蕾蕾

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