香港城大陆洋&清华徐志平Cell Reports Physical Science：单层六方氮化硼(h-BN)的力学研究进展- 大数跨境

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香港城大陆洋&清华徐志平Cell Reports Physical Science：单层六方氮化硼(h-BN)的力学研究进展

科学材料站

2020-08-29

导读：香港城市大学陆洋副教授与清华大学徐志平教授团队采用他们先前开发的二维材料原位测试平台，对单层h-BN进行了首次直接拉伸下的定量观测（见图1），实现了高达6.2％的弹性拉伸应变，并测试其杨氏模量约为20

First published: August 26, 2020

第一作者：韩英、冯诗喆、曹可

通讯作者：陆洋*、徐志平*

单位：香港城市大学，清华大学，西安电子科技大学等

研究背景

自2004年科学家从块状石墨中成功分离出单层石墨烯，开辟了二维材料这一全新的领域。过去十余年，二维材料的成员增长迅速，包括六方氮化硼（h-BN），过渡金属二卤化物（例如MoS2，MoSe2和WS2），黑磷（BP）和其他二维材料。由于它们出色的物理性能，例如电，热和光，它们中的大多数已引起了研究者的广泛关注。

迄今为止，成功的分离的二维材料具有不同的带隙值（约0-6 eV），涵盖导体，半导体以及绝缘体，展现了二维材料的广泛器件应用潜力。而机械性能则是材料的最基本性质，可靠的机械性能和变形能力为其在实际器件应用奠定了坚实的物理基础。

在这些二维材料中，石墨烯被认为是世界上最坚固的材料，研究者们探索其在不同条件下使用不同方法的机械响应，验证了石墨烯出色的机械性能（包括作者团队此前的Nature Communications工作）。而具有与石墨烯相似的结构，六方氮化硼（h-BN）不仅具有可与石墨烯媲美的理论力学性能，热稳定性，还具有超宽的带隙（~6 eV），常用于光电或其他二维电子器件中的原子级平面电介质，被誉为“白色石墨烯”。尤其是与石墨烯具有极小的晶格匹配差，绝大多数电子器件中都选用h-BN作为电介质，可大幅提高石墨烯的载流子密度。h-BN原子级平整度还可大幅降低石墨烯的褶皱密度，是理想的石墨烯及其他器件的理想电介质基底。此外，由于没有对称中心，理论预测单层h-BN在力加载下将显示出独特的压电特性，为其功能应用又打开另一条通路。

然而，这些美妙的应用均要求h-BN单层具有可靠的力学性能以及承受较大范围的弹性变形。由于二维材料的原子级厚度，实验力学技术上直接拉伸具有极大挑战。

近年来研究者们对于二维材料力学特性的测量取得了一定的进展，但大多数力学测试是基于AFM的纳米压痕测试，应力分布极不均匀，高度集中在压头接触部位。而将二维材料转移到柔性基底上施加应变则十分有限。最直观的直接拉伸（direct tensile testing）悬空的单层h-BN至今仍无相关报道，且h-BN中不可避免存在的缺陷对其力学性能的影响也尚无深入的定量研究。

文章简介

近日，香港城市大学陆洋副教授与清华大学徐志平教授团队采用他们先前开发的二维材料原位测试平台，对单层h-BN进行了首次直接拉伸下的定量观测（见图1），实现了高达6.2％的弹性拉伸应变，并测试其杨氏模量约为200 N/m，相当接近其理论极限。

此外，作者还展示了即使包含约100 nm孔隙的单层h-BN仍可达到5.8％的应变（图3 GIF）。原子模拟和连续模拟显示与样品制备中引入的缺陷相比，h-BN弹性极限几乎不受自然发生的原子缺陷（例如晶界和空位）的影响。亚微米孔隙的存在小范围降低了h-BN的弹性极限。此处报道的h-BN单层的机械强度以及较大可控的均匀弹性应变，对于其应变工程，压电和柔性电子应用尤为重要。

研究结果近日在Cell出版社旗下物质科学综合期刊Cell Reports Physical Science上发表，题为“Large Elastic Deformation and Defect Tolerance of h-BN Monolayers（六方氮化硼单层的大弹性变形和缺陷容差）”。

通讯作者为香港城市大学陆洋副教授与清华大学徐志平教授。

论文的共同第一作者包括香港城大机械工程学系博士生韩英和博士毕业生曹可（现西安电子科技大学副教授），清华大学工程力学系的博士生冯诗喆。

团队成员包括博士生王月皎和机械工程学系博士生毕业生高立波博士（现西安电子科技大学副教授）等。研究得到香港城大，香港研究资助局和国家自然科学基金的支持。

要点解析

要点一：悬空的单层h-BN样品的实验装置和微结构表征

图1.

（A）悬空单层h-BN的原位扫描电子显微镜（SEM）拉伸测试。样品通过由外部定量微压头驱动的推转拉（PTP）微机械设备进行拉伸，黄色箭头表示施加载荷的方向。

（B）通过FIB切割的拉伸测试样品的透射电子显微镜（TEM）图像，黄色箭头表示拉伸方向。

（C）单层h-BN的拉曼光谱和XPS光谱。

（D）单层h-BN边缘的TEM表征；插图显示了样品的选区衍射图。

要点二：

图2.

悬空的单层h-BN达到了接近600 GPa的近乎理想的杨氏模量和高达约6.2％的样品范围内的大均匀拉伸应变。

要点三：

图3.

含有亚微米级孔隙的悬空h-BN单层仍可达到5.8%的大弹性应变，展示了其良好的缺陷容限

结论

在本文，通过开发优化的样品转移，制备和拉伸方法，作者对少缺陷及包含亚微米孔隙的悬空h-BN单层进行了末端固定的原位定量拉伸试验。两者均表现出较大的均匀拉伸应变（分别高达6.2％和5.8％），少缺陷和包含亚微米级孔隙的h-BN的二维杨氏模量分别为200和160 N/m。即使存在亚微米空隙，多晶h-BN单层仍可保持5.8％的大弹性应变，而与单晶的值（分别为12.5％和23.6 N/m）相比，则具有8.2 N/m的强度）。

这些结果表明，在实际的工程应用中，如柔性电子设备和介电基片，CVD·生长的单层h-BN具有很高的缺陷容限和应用潜力。研究展示的少缺陷的h-BN的大弹性应变表明其在弹性应变工程中动态应变调谐电子和压电器件应用中的广阔应用前景。

文章链接:

Large Elastic Deformation and Defect Tolerance of Hexagonal Boron Nitride Monolayers

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386420301831

通讯作者介绍:

陆洋副教授

陆洋，博士。现为香港城市大学机械工程学系副教授，香港城大深圳研究院纳米制造实验室主任。在南京大学物理/微电子专业获得学士学位、美国 Rice 莱斯大学获得博士学位，从事微纳米力学和先进制造研究。2014 年获得香港大学教育资助委员会“杰出青年学者”奖， 2019 年获得香港城市大学“杰出研究奖（青年学者）”。目前担任《Materials Today》副主编及《中国科学：技术科学》的青年编委。

徐志平教授

徐志平，博士。2002年和2007年于清华大学获得学士和博士学位，2007-2008和2008-2010年间分别在美国莱斯大学和麻省理工学院从事博士后研究工作，2010年起在清华大学航天航空学院工作，现任工程力学系教授。徐志平博士主要研究低维材料及其宏观聚集体的力学行为与物质在纳米限域条件下的输运与相变行为。