华东理工大学轩福贞教授、张博威教授、闫亚宾教授、朱明亮教授等在二维材料结构强度领域取得研究进展

第一作者：荣超

通讯作者：张博威*，闫亚宾*，轩福贞*

单位：华东理工大学

开发了一种独特的干转移方法，具体来说，将制备好的单层Ti₃C₂Tx 悬浮液滴在400孔的铜网上，真空干燥。单层纳米片附着在铜网的边缘，这极大地方便了后续的转移过程（如果单层悬浮液在平面载体上干燥，由于范德华力的作用，纳米片很难转移）。然后，用电子束沉积Pt将纳米片的一面粘在机械探针上，用Ga聚焦离子束（FIB）切割纳米片的其他三面以移动纳米片。将得到的纳米片转移到PTP微器件中间的2.5 μm拉伸区域。悬浮在纳米机械器件上的Ti₃C₂Tx 纳米片由于其单层性质几乎是透明的。采用FIB对机械臂和Ti₃C₂Tx 纳米片进行切割和分离。

单层Ti₃C₂Tx 纳米片的厚度是后续实验结果分析的关键参数。一般来说，单层二维材料的厚度术语定义不清。例如，使用AFM测量单层石墨烯的厚度，其值范围为0.4至1.7 nm。然而，在实际研究中计算力学性能时，使用的是单层石墨烯的标称厚度，为0.335 nm。公称厚度在其他研究中也被用于校准二维材料的厚度。虽然AFM可以测量和估计厚度，但该方法的精度受到Ti₃C₂Tx 表面特性和AFM尖端与Ti₃C₂Tx 表面相互作用等不同因素的影响。同样，X射线衍射（XRD）测定的单层厚度取决于测量过程中嵌入的水和其他分子。两种方法均可过高估计Ti₃C₂Tx 单层的标称厚度，导致测量结果的不确定度。因此，在这项工作中，单层Ti₃C₂Tx 的标称厚度为0.98 nm。采用像差校正扫描透射电子显微镜（AC-STEM）对悬浮Ti₃C₂Tx 纳米片的断口边缘横截面进行了力学测试，验证了Ti₃C₂Tx 单层的厚度。

为了研究Ti₃C₂Tx 单层材料的弹性性能和拉伸强度，采用场发射扫描电镜对Ti₃C₂Tx 单层材料进行了位移控制原位拉伸实验。在拉伸试验之前，通过扫描电镜观察了PTP纳米机械装置的半球形压头与机械探针在同一平面上。在拉伸过程中，试样两端始终牢固地附着在PTP装置上，在重叠区域没有出现滑移，直至断裂。对整个实验过程进行实时观察和记录。为了计算Ti₃C₂Tx 单层材料的断裂强度，需要在拉伸过程中测量试样的最大伸长率。通过拉伸试验前后的SEM快照，单层Ti₃C₂Tx 纳米片断裂前的最大工程应变可达3.6%。样品完全破坏，呈现典型的脆性断裂，得到相应的荷载-位移曲线。

通过MD模拟模拟了边缘缺陷对断裂强度的影响。模拟了三种不同宽度尺度的Ti₃C₂Tx 单层纳米片在两端分别夹紧的情况下沿两个方向的断裂强度。得到相应的18次断裂强度结果。纵坐标为无缺陷单层Ti₃C₂Tx 纳米片的理想强度σ0与植入边缘缺陷的断裂强度σm之比。从模拟结果可以看出，FIB切割过程中产生的边缘缺陷确实会降低材料的断裂强度。18种不同宽度尺度和边缘缺陷的模拟值接近实验实测值范围。边缘缺陷对试样抗拉强度的影响随试样宽度的增大而减小，模拟值与实验值拟合较好，表明边缘缺陷的影响可以量化。

Elastic properties and tensile strength of 2D Ti₃C₂Tx MXene monolayers

张博威教授简介：博士毕业于美国爱荷华州立大学机械工程专业，期间在耶鲁大学联合培养，毕业后在美国西北大学从事博士后研究。入选国家优青、上海市科技青年35人引领计划及上海市海外高层次人才计划，获国家海外优秀留学生奖、美国Sigma Xi授予的Zaffarano Prize (1人/年)等奖项。近5年以第一/通讯作者在Nature Communications，Advanced Materials, Nano Letters, ACS Energy Letters, Materials Horizons等SCI期刊发表论文20余篇，其中4篇入选ESI高被引论文，申请/授权专利10项。

轩福贞教授简介：现任华东理工大学校长。获国家科技进步一等奖1项、二等奖1项，省部级特等奖1项、一等奖4项、二等奖1项，中国石油与化学工业联合会青年科技突出贡献奖。主持完成国家核电重大专项（课题）、国家仪器专项、863计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等课题。

闫亚宾教授简介：华东理工大学特聘教授。主要从事宏微观机械装备损伤失效评价、新型功能材料设计与应用、基于电子显微技术的微纳尺度仪器装置开发等方面的研究。主持国家自然科学基金项目、上海市高层次人才项目、上海市自然科学基金面上项目、上海市航天科技创新基金以及国防装备预研项目等多项课题，与国际知名企业联合开展高新电子产品的可靠性评价研究。