Door hun unieke fysieke, chemisch, elektrische en optische eigenschappen, tweedimensionale (2-D) materialen hebben de afgelopen decennia enorm veel aandacht gekregen. Na het onthullen van de realistische sterkte en rekbaarheid van grafeen, bijgenaamd "zwart goud, " Onderzoekers van de City University of Hong Kong (CityU) hebben het succes voortgebracht door de hoge defecttolerantie en elasticiteit van hexagonaal boornitride (h-BN) te onthullen, een ander 2D-materiaal dat bekend staat als 'wit grafeen'. Deze vervolgstudie zal toekomstige ontwikkeling en toepassingen van strain engineering bevorderen, piëzo-elektronica en flexibele elektronica.

Sinds Britse wetenschappers in 2004 voor het eerst enkel-atoom-dikke kristallieten uit bulkgrafiet hebben geëxfolieerd, onderzoek naar 2D-materialen heeft snelle vorderingen gemaakt. Er zijn nieuwe 2D-materialen ontdekt, inclusief hexagonaal boornitride (h-BN), de focus van dit artikel, overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) zoals MoS2, en zwarte fosfor (BP). Die succesvol geïsoleerde 2D-materialen hebben verschillende bandgaps (van 0 tot 6 eV), en variëren van geleiders, halfgeleiders tot isolatoren, wat hun potentieel in toepassingen voor elektronische apparaten illustreert.

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

Soms aangeduid als "wit grafeen, " h-BN deelt een vergelijkbare structuur met 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, h-BN kan dienen in opto-elektronica of als diëlektrisch substraat voor grafeen of andere op 2D-materialen gebaseerde elektronica. Belangrijker, de bandafstand kan worden gewijzigd via de elastische spanningstechniek (ESE) -benadering waarbij de materiaalbandstructuur aanzienlijk kan worden afgestemd door roosterspanning of vervorming.

Het is vermeldenswaard dat h-BN de prestaties van grafeenapparaten kan verbeteren. Vergelijkbaar met de atomaire structuur van grafeen, monolaag h-BN heeft een kleine roostermismatch en een ultraplat oppervlak, die de dragerdichtheid van grafeen aanzienlijk kan verbeteren. De dragerdichtheid vertegenwoordigt het aantal dragers dat deelneemt aan geleiding, wat een van de belangrijkste factoren is die bijdragen aan de elektrische geleidbaarheid. In aanvulling, de ultrabrede band gap maakt h-BN een ideaal diëlektrisch substraat voor grafeen en andere op 2D-materiaal gebaseerde elektronica. Zonder symmetriecentrum, Er wordt voorspeld dat monolaag h-BN een geïnduceerd piëzo-elektrisch potentieel vertoont onder mechanische spanningen.

Echter, deze fascinerende eigenschappen en toepassingen vereisen altijd relatief grote en uniforme vervormingen. In feite, alle materialen moeten 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 2D-materialen onder verschillende omstandigheden te onderzoeken. Nog, de meeste tests gebruiken de nano-indentatietechniek op basis van atomaire krachtmicroscopie (AFM), waarbij de grootte van de indentertip het testgebied van het monster beperkt, en de stam is zeer ongelijkmatig.

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

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

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

Een ander aandachtspunt van het onderzoek was het onderzoeken van de effecten van de natuurlijk voorkomende defecten van h-BN op de structurele integriteit en mechanische robuustheid. Het team ontdekte dat monolaag h-BN met holtes van ~ 100 nm kan zelfs worden gespannen tot 5,8% (zie film/GIF). De atomistische en continuümsimulaties toonden aan dat in vergelijking met de onvolkomenheden die tijdens de monstervoorbereiding werden geïntroduceerd, de elastische limiet van h-BN is vrijwel immuun voor natuurlijk voorkomende atomistische defecten (zoals korrelgrenzen en vacatures). Die submicrometerholtes zijn niet schadelijk, alleen de elastische limiet van h-BN wordt verlaagd van ~6,2% naar ~5,8%, die zijn hoge defecttolerantie aantoont.

"Gebaseerd op ons experimentele platform, we zijn erin geslaagd om de mechanische eigenschappen van een ander belangrijk 2D-materiaal te onderzoeken. Voor de eerste keer, we hebben 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 2D-materialen te onderzoeken, ' zei dokter Lu.

Hun bevindingen werden gepubliceerd in Celrapporten Fysische Wetenschap , een open access tijdschrift van Cell Press, getiteld "Grote elastische vervorming en defecttolerantie van zeshoekige boornitride-monolagen."