På grund av deras unika fysiska, kemisk, elektriska och optiska egenskaper, tvådimensionella (2-D) material har väckt enorm uppmärksamhet under de senaste decennierna. Efter att ha avslöjat den realistiska styrkan och töjbarheten hos grafen, smeknamnet "svart guld, "Forskare från City University of Hong Kong (CityU) har fört fram framgången genom att avslöja den höga defekttoleransen och elasticiteten hos hexagonal bornitrid (h-BN), ett annat 2D-material känt som "vit grafen". Denna uppföljningsstudie kommer att främja framtida utveckling och tillämpningar av strain engineering, piezoelektronik och flexibel elektronik.

Sedan brittiska forskare exfolierade enatomtjocka kristalliter från bulkgrafit 2004 för första gången, forskning om 2D-material har genomgått snabba framsteg. Nya 2D-material har upptäckts, inklusive hexagonal bornitrid (h-BN), fokus för denna artikel, övergångsmetalldikalkogenider (TMD) såsom MoS2, och svart fosfor (BP). Dessa framgångsrikt isolerade 2D-material har olika bandgap (från 0 till 6 eV), och sträcker sig från ledare, halvledare till isolatorer, som illustrerar deras potential i applikationer för elektroniska enheter.

Konduktiviteten hos ett material bestäms av energiband. När det finns ett litet energigap mellan valensbandet och ledningsbandet (bandgapvärdet är nära 0), elektroner kan röra sig fritt mellan de två energibanden, det är en konduktör. När gapet mellan valensbandet och ledningsbandet är stort (bandgapvärdet är nära 6), elektroner är fångade i valensbandet och kan inte hoppa fritt, det är en isolator. När bandgapvärdet kan styras av externt applicerat elektriskt fält, det är en halvledare.

Ibland kallad "vit grafen, " h-BN delar en liknande struktur med grafen. De teoretiska uppskattningarna av dess mekaniska egenskaper och dess termiska stabilitet är också jämförbara med grafenens. På grund av dess ultravida bandgap på ~6 eV, h-BN kan fungera inom optoelektronik eller som ett dielektriskt substrat för grafen eller annan 2D-materialbaserad elektronik. Mer viktigt, dess bandgap skulle kunna modifieras via elastic strain engineering (ESE) tillvägagångssätt där materialbandsstrukturen kan justeras avsevärt genom gittertöjning eller distorsion.

Det är värt att nämna att h-BN kan förbättra prestanda hos grafenenheter. Liknar grafens atomstruktur, monolager h-BN har en liten gallermissanpassning och ultraplat yta, vilket avsevärt kan förbättra grafens bärardensitet. Bärardensitet representerar antalet bärare som deltar i ledning, vilket är en av nyckelfaktorerna som bidrar till elektrisk ledningsförmåga. Dessutom, det ultravida bandgapet gör h-BN till ett idealiskt dielektriskt substrat för grafen och annan 2D-materialbaserad elektronik. Har inget symmetricentrum, monolager h-BN förutspås uppvisa inducerad piezoelektrisk potential under mekaniska påkänningar.

Dock, dessa fascinerande egenskaper och tillämpningar kräver alltid relativt stora och enhetliga deformationer. Faktiskt, alla material måste ha tillförlitliga mekaniska egenskaper innan de kan användas i praktiska enheter.

Det är därför forskare har prövat olika metoder för att utforska de mekaniska svaren hos grafen och andra 2D-material under olika förhållanden. Än, de flesta av testerna använder nanoindentationsteknik baserad på atomkraftmikroskopi (AFM), där storleken på indenterspetsen begränsar provets testarea, och spänningen är mycket ojämn.

Dessutom, forskning som involverar överföring av prover av 2D-material till ett flexibelt substrat för att introducera sträckning har mött vissa begränsningar. På grund av den svaga vidhäftningen mellan 2D-material och substratgränssnitt, det är mycket utmanande att utöva stor belastning på proverna av 2D-material. Därför förblir dragsträckning av stora delar av fristående monolager h-BN och effekterna av naturligt förekommande defekter på dess mekaniska robusthet i stort sett outforskade.

Under de senaste tre åren, forskargruppen ledd av Dr Lu Yang, Docent vid Department of Mechanical Engineering (MNE) vid CityU arbetade outtröttligt med ett annat team från Tsinghua University för att utveckla världens allra första kvantitativa in-situ dragtestningsteknik för fristående 2D-material. Nyligen, de har utökat sina forskningsinsatser från monolager grafen till h-BN.

Med hjälp av den 2-D nanomekaniska plattformen som tidigare utvecklats av teamet, forskarna genomförde framgångsrikt kvantitativ dragspänning på fristående monolager h-BN för första gången (se figur 1). Experimentet visade att dess helt återhämtningsbara elasticitet var upp till 6,2 % och motsvarande 2-D Youngs modul var cirka 200 N/m.

Ett annat fokus för forskningen var att utforska effekterna av h-BN:s naturligt förekommande defekter på strukturell integritet och mekanisk robusthet. Teamet upptäckte att monolager h-BN som innehåller tomrum på ~100 nm kan till och med spännas upp till 5,8 % (se film/GIF). De atomistiska simuleringarna och kontinuumsimuleringarna visade att jämfört med de brister som infördes under provberedningen, den elastiska gränsen för h-BN är praktiskt taget immun mot naturligt förekommande atomistiska defekter (såsom korngränser och vakanser). Dessa hålrum på undermikrometer är inte skadliga, reducerar bara den elastiska gränsen för h-BN från ~6,2% till ~5,8%, vilket visar sin höga defekttolerans.

"Baserat på vår experimentella plattform, vi lyckades undersöka de mekaniska egenskaperna hos ett annat viktigt 2D-material. För första gången, vi visade den höga styvheten och den stora likformiga elastiska deformationen av monolager h-BN. De uppmuntrande resultaten bidrar inte bara till utvecklingen av h-BN-applikationer inom stamteknik, piezoelektronik och flexibel elektronik, men föreslår också ett nytt sätt att förbättra prestandan för 2D-kompositer och enheter. De tillhandahåller också ett kraftfullt verktyg för att utforska de mekaniska egenskaperna hos andra 2D-material, " sa Dr Lu.

Deras resultat publicerades i Cell Rapporter Fysisk Vetenskap , en open access-journal från Cell Press, med titeln "Stor elastisk deformation och defekttolerans för hexagonala bornitridmonolager."