Nieuwe methode bereikt controleerbare afstemming, beoordeelt instabiliteit in 2D-materialen voor technische toepassingen

Tweedimensionale (2D) materialen hebben een dikte op atomair niveau en uitstekende mechanische en fysische eigenschappen, met brede toepassingsmogelijkheden in sectoren zoals halfgeleiders, flexibele apparaten en composietmaterialen.

Vanwege hun extreem lage buigstijfheid zullen enkellaagse 2D-materialen een vervorming buiten het vlak ondergaan wanneer ze worden blootgesteld aan geometrische beperkingen. Hierdoor ontstaan ​​rimpelingen, knikken, kreukels of zelfs vouwen, wat hun mechanische, elektrische en thermische eigenschappen aanzienlijk kan beïnvloeden.

Hun mechanische stabiliteit heeft ook direct invloed op de levensduur en serviceprestaties van apparaten op basis van zwevende 2D-materialen, zoals micro-/nano-elektromechanische systemen (M/NEMS), resonatoren/oscillatoren, nano-kirigami/origami, protontransportmembranen en nanokanalen.

Het verduidelijken van de mechanische stabiliteitsmechanismen van 2D-materialen en het verkrijgen van algehele controle over hun instabiliteitsgedrag is cruciaal voor de mechanische toepassingen van 2D-materialen en andere atomair dunne films.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Yang Lu van de afdeling Werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Hong Kong (HKU) heeft een belangrijke doorbraak op dit gebied bereikt door een nieuwe methode te bieden voor het beoordelen van instabiliteit in atomair dunne films. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatiegetiteld “Afstemming van instabiliteit in gesuspendeerde monolaag 2D-materialen.”

In samenwerking met onderzoekers van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie in China stelde het team van professor Lu een ‘push-to-shear’-strategie voor om voor het eerst in-situ-observatie van de in-plane schuifvervorming van enkellaags 2D-materialen mogelijk te maken. Hiermee werd een controleerbare afstemming van de instabiliteitskarakteristieken van 2D-materialen bereikt.

Door theoretische analyses en moleculaire dynamische simulaties te combineren, werden de mechanische principes en controlemechanismen van multi-orde-instabiliteit in atomair dunne films onthuld.

Het team is van plan om samen te werken met industriële partners om een ​​nieuw type mechanisch meetplatform te ontwikkelen voor atomair dunne films, dat gebruikmaakt van in-situ micro-/nanomechanische technieken om mechanische eigenschappen met een hoge doorvoersnelheid te meten en tegelijkertijd diepgaande vervormingstechniek van de fysieke eigenschappen van het materiaal mogelijk maakt.

“Deze onderzoeksdoorbraak overwint de moeilijkheid om het instabiliteitsgedrag van zwevende enkellaags 2D-materialen te beheersen, en bereikt de meting van de buigstijfheid van enkellaags grafeen en molybdeendisulfide (MoS₂).

“De studie biedt ook nieuwe mogelijkheden voor het moduleren van de nanoschaal instabiliteitsmorfologie en fysieke eigenschappen van atomair dunne films,” zei professor Lu. “We hebben een MEMS-gebaseerd in-situ-schuifapparaat ontwikkeld om het instabiliteitsgedrag van gesuspendeerde enkellaagse 2D-materialen te controleren, wat ook toepasbaar is op andere atomair dunne films.

“We hebben verder onderzoek gedaan naar de evolutie van de rimpelmorfologie van 2D-materialen die wordt veroorzaakt door instabiliteit. Daarbij hebben we verschillende instabiliteits- en herstelpaden blootgelegd die worden gedomineerd door veranderingen in de golflengte en amplitude van rimpels. Daarnaast hebben we een nieuwe experimentele mechanische methode ontwikkeld voor het beoordelen van het instabiliteitsgedrag en de buigprestaties van atomair dunne films.

“Bovendien hebben de lokale spanning/rek- en krommingsveranderingen die verband houden met het instabiliteitsproces van 2D-materialen belangrijke toepassingen op het gebied van de natuurkunde en de scheikunde, bijvoorbeeld door de elektronische structuur te veranderen door de gerimpelde morfologie aan te passen en snelle protontransportkanalen te creëren”, voegt professor Lu toe.

Dr. Hou Yuan, de eerste auteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker in de groep van professor Lu, verklaarde: “Dit onderzoek heeft geleid tot een controleerbare instabiliteitsmodulatie van atomair dunne materialen, gerepresenteerd door 2D-materialen. Vergeleken met traditionele trekspanningstechniek, kan schuifspanning de bandstructuur van 2D-materialen diepgaand reguleren.

“In de toekomst zullen we dit onderzoek blijven voortzetten en hopen we uiteindelijk een geïntegreerd ontwerp van mechanica en functionaliteit te bereiken in laagdimensionale materialen onder grote spanning.”