Wit grafeen vertoont een hoge defecttolerantie en elasticiteit

Vanwege hun unieke fysische, chemische, elektrische en optische eigenschappen hebben tweedimensionale (2-D) materialen de afgelopen decennia enorm veel aandacht getrokken. Na het onthullen van de realistische sterkte en rekbaarheid van grafeen, bijgenaamd ‘zwart goud’, hebben onderzoekers van City University of Hong Kong (CityU) het succes voortgezet door de hoge defecttolerantie en elasticiteit van hexagonaal boornitride (h-BN) te onthullen, een andere 2D-materiaal dat bekend staat als “wit grafeen”. Deze vervolgstudie zal de toekomstige ontwikkeling en toepassingen van strain engineering, piëzo-elektronica en flexibele elektronica bevorderen.

Sinds Britse wetenschappers in 2004 voor het eerst kristallieten van één atoom dik uit bulkgrafiet hebben geëxfolieerd, heeft het onderzoek naar 2D-materialen snelle vorderingen gemaakt. Nieuwe 2D-materialen zijn ontdekt, waaronder hexagonaal boornitride (h-BN), de focus van dit artikel, overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s) zoals MoS2 en zwarte fosfor (BP). Die met succes geïsoleerde 2D-materialen hebben verschillende bandafstanden (van 0 tot 6 eV) en variëren van geleiders, halfgeleiders tot isolatoren, wat hun potentieel in elektronische apparaattoepassingen illustreert.

De geleidbaarheid van een materiaal wordt bepaald door energiebanden. Als er een kleine energiekloof is tussen de valentieband en de geleidingsband (de bandafstand is bijna 0), kunnen elektronen vrij bewegen tussen de twee energiebanden, dat wil zeggen een geleider. Wanneer de kloof tussen de valentieband en de geleidingsband groot is (de bandafstandwaarde ligt dicht bij 6), zitten elektronen vast in de valentieband en kunnen ze niet vrij springen, dat is een isolator. Wanneer de bandafstandwaarde kan worden geregeld door een extern aangelegd elektrisch veld, dat is een halfgeleider.

Ook wel “wit grafeen” genoemd, heeft h-BN een vergelijkbare structuur als grafeen. De theoretische schattingen van de mechanische eigenschappen en de thermische stabiliteit zijn ook vergelijkbaar met die van grafeen. Vanwege de ultrabrede bandafstand van ~ 6 eV kan h-BN dienen in opto-elektronica of als een diëlektrisch substraat voor grafeen of andere op 2-D materialen gebaseerde elektronica. Wat nog belangrijker is, is dat de bandafstand kan worden gewijzigd via de Elastic Strain Engineering (ESE) -benadering, waarbij de materiaalbandstructuur aanzienlijk kan worden afgestemd door roostervorming of vervorming.

Het is vermeldenswaard dat h-BN de prestaties van grafeenapparaten kan verbeteren. Vergelijkbaar met de atomaire structuur van grafeen, heeft monolaag h-BN een kleine mismatch in het rooster en een ultradun oppervlak, wat de dragerdichtheid van grafeen aanzienlijk kan verbeteren. Dragerdichtheid vertegenwoordigt het aantal dragers dat deelneemt aan geleiding, wat een van de sleutelfactoren is die bijdragen aan elektrische geleidbaarheid. Bovendien maakt de ultrabrede bandafstand h-BN een ideaal diëlektrisch substraat voor grafeen en andere op 2D-materiaal gebaseerde elektronica. Omdat er geen symmetriecentrum is, wordt voorspeld dat monolaag h-BN een geïnduceerd piëzo-elektrisch potentieel vertoont onder mechanische spanningen.

Deze fascinerende eigenschappen en toepassingen vereisen echter altijd relatief grote en uniforme vervormingen. In feite moeten alle materialen betrouwbare mechanische eigenschappen hebben voordat ze in praktische apparaten kunnen worden gebruikt.

Daarom hebben onderzoekers verschillende benaderingen geprobeerd om de mechanische reacties van grafeen en andere 2-D-materialen onder verschillende omstandigheden te onderzoeken. Toch gebruiken de meeste tests de nano-indentatietechniek op basis van atoomkrachtmicroscopie (AFM), waarbij de grootte van de punt van de indringing het testgebied van het monster beperkt en de rek in hoge mate niet-uniform is.

Bovendien heeft onderzoek waarbij monsters van 2-D-materialen op een flexibel substraat worden overgebracht om rekken te introduceren, bepaalde beperkingen ondervonden. Vanwege de zwakke hechting tussen 2-D-materialen en de substraatinterface, is het erg uitdagend om grote spanning uit te oefenen op de monsters van 2-D-materialen. Vandaar dat het strekken van grote stukken vrijstaande monolaag h-BN en de effecten van natuurlijk voorkomende defecten op de mechanische robuustheid grotendeels onontgonnen blijven.

In de afgelopen drie jaar werkte het onderzoeksteam onder leiding van Dr. Lu Yang, universitair hoofddocent van de afdeling Werktuigbouwkunde (MNE) bij CityU onvermoeibaar samen met een ander team van Tsinghua University om ’s werelds allereerste kwantitatieve in-situ treksterktetesttechniek te ontwikkelen. voor vrijstaande 2D-materialen. Onlangs hebben ze hun onderzoeksinspanningen uitgebreid van monolaag grafeen naar h-BN.

Met behulp van het 2-D nanomechanische platform dat eerder door het team was ontwikkeld, hebben de onderzoekers voor het eerst met succes kwantitatieve trekbelasting op vrijstaande monolaag h-BN uitgevoerd (zie figuur 1). Het experiment toonde aan dat zijn volledig herstelbare elasticiteit tot 6,2% bedroeg en dat de overeenkomstige 2-D Young-modulus ongeveer 200 N / m was.

Een andere focus van het onderzoek was om de effecten van de natuurlijk voorkomende defecten van h-BN op structurele integriteit en mechanische robuustheid te onderzoeken. Het team ontdekte dat monolaag h-BN met holtes van ~ 100 nm zelfs tot 5,8% kan worden gespannen (zie Film / GIF). De atomistische en continuumsimulaties toonden aan dat in vergelijking met de imperfecties die tijdens de monstervoorbereiding zijn geïntroduceerd, de elastische limiet van h-BN vrijwel immuun is voor natuurlijk voorkomende atomistische defecten (zoals korrelgrenzen en vacatures). Die holtes in de submicrometer zijn niet schadelijk en verlagen alleen de elastische limiet van h-BN van ~ 6,2% tot ~ 5,8%, wat de hoge defecttolerantie aantoont.

“Op basis van ons experimentele platform zijn we erin geslaagd de mechanische eigenschappen van een ander belangrijk 2-D-materiaal te onderzoeken. Voor het eerst hebben we de hoge stijfheid en grote uniforme elastische vervorming van monolaag h-BN aangetoond. De bemoedigende resultaten dragen niet alleen bij aan de ontwikkeling van h-BN-toepassingen in strain engineering, piëzo-elektronica en flexibele elektronica, maar stellen ook een nieuwe manier voor om de prestaties van 2D-composieten en apparaten te verbeteren. Ze bieden ook een krachtig hulpmiddel om de mechanische eigenschappen van andere materialen, “zei Dr. Lu.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Cell Reports Physical Science, een open access tijdschrift van Cell Press, getiteld “Grote elastische vervorming en defecttolerantie van hexagonale boornitride monolagen.”