Новости космоса и технологий. » Нанотехнологии » Белый графен обладает высокой устойчивостью к дефектам и эластичностью

Белый графен обладает высокой устойчивостью к дефектам и эластичностью

Опубликовал: Admin, 25-09-2020, 01:01, Нанотехнологии, 69, 0

Белый графен обладает высокой устойчивостью к дефектам и эластичностью

Благодаря своим уникальным физическим, химическим, электрическим и оптическим свойствам двумерные (2-D) материалы привлекли огромное внимание в последние десятилетия. Выявив реалистичную прочность и растяжимость графена, получившего прозвище «черное золото», исследователи из Городского университета Гонконга (CityU) добились успеха, открыв высокую стойкость к дефектам и эластичность гексагонального нитрида бора (h-BN), другого Двухмерный материал, известный как «белый графен». Это последующее исследование будет способствовать дальнейшему развитию и применению деформационной инженерии, пьезоэлектроники и гибкой электроники.

С тех пор, как в 2004 году британские ученые впервые отслоили кристаллиты толщиной в один атом из массивного графита, исследования двумерных материалов быстро продвинулись вперед. Были обнаружены новые двумерные материалы, в том числе гексагональный нитрид бора (h-BN), о котором идет речь в этой статье, дихалькогениды переходных металлов (TMD), такие как MoS2 и черный фосфор (BP). Эти успешно изолированные двумерные материалы имеют различную ширину запрещенной зоны (от 0 до 6 эВ) и варьируются от проводников, полупроводников до изоляторов, что демонстрирует их потенциал в приложениях для электронных устройств.

Электропроводность материала определяется энергетическими зонами. Когда между валентная полоса и зона проводимости (значение ширины запрещенной зоны близко к 0), электроны могут свободно перемещаться между двумя энергетическими зонами, то есть проводником. Когда разрыв между валентной полосой и полоса проводимости большая (величина запрещенной зоны близка к 6), электроны захватываются в валентную зону и не могут свободно прыгать, то есть изолятор. Когда величиной запрещенной зоны можно управлять с помощью внешнего электрического поля, это полупроводник.

Иногда называемый «белым графеном», h-BN имеет аналогичную структуру с графеном. Теоретические оценки его механических свойств и термостойкости также сопоставимы с оценками графена. Благодаря своей сверхширокой запрещенной зоне ~ 6 эВ, h-BN может использоваться в оптоэлектронике или в качестве диэлектрической подложки для графена или другой электроники на основе двумерных материалов. Что еще более важно, его запрещенная зона может быть изменена с помощью подхода инженерии упругих деформаций (ESE), в котором зонная структура материала может быть значительно настроена путем деформации или искажения решетки.

Стоит отметить, что h-BN может улучшить характеристики графеновых устройств. Подобно атомной структуре графена, монослой h-BN имеет небольшое рассогласование решеток и сверхплоскую поверхность, что может значительно увеличить плотность носителей графена. Плотность носителей представляет собой количество носителей, которые участвуют в проводимости, которая является одним из ключевых факторов, влияющих на электрическую проводимость. Кроме того, сверхширокая запрещенная зона делает h-BN идеальной диэлектрической подложкой для графена и другой электроники на основе двумерных материалов. Не имеющий центра симметрии монослой h-BN, как предполагается, будет проявлять наведенный пьезоэлектрический потенциал при механических деформациях.

Однако эти удивительные свойства и применения всегда требуют относительно больших и однородных деформаций. Фактически, все материалы должны обладать надежными механическими свойствами, прежде чем их можно будет использовать в практических устройствах.

Вот почему исследователи пробовали разные подходы к изучению механических реакций графена и других двумерных материалов в различных условиях. Тем не менее, в большинстве тестов используется техника наноиндентирования, основанная на атомно-силовой микроскопии (АСМ), в которой размер наконечника индентора ограничивает область тестирования образца, а деформация очень неоднородна.

Более того, исследования, которые включают перенос образцов двумерных материалов на гибкую подложку для растяжения, столкнулись с определенными ограничениями. Из-за слабой адгезии между двумерными материалами и границей раздела подложки очень сложно приложить большие усилия к образцам двумерных материалов. Следовательно, растяжение при растяжении больших кусков отдельно стоящего монослоя h-BN и влияние естественных дефектов на его механическую прочность остаются в значительной степени неизученными.

За последние три года исследовательская группа во главе с доктором Лу Янгом, доцентом кафедры машиностроения (MNE) CityU, неустанно работала с другой командой из Университета Цинхуа над разработкой самой первой в мире методики количественных испытаний на растяжение на месте. для отдельно стоящих двухмерных материалов. Недавно они расширили свои исследования с однослойного графена до h-BN.

Используя двумерную наномеханическую платформу, ранее разработанную командой, исследователи впервые успешно выполнили количественное растяжение отдельно стоящего монослоя h-BN (см. Рисунок 1). Эксперимент показал, что его полностью восстанавливаемая эластичность составляла до 62%, а соответствующий 2-мерный модуль Юнга составлял около 200 Н /м.

Еще одним направлением исследования было изучение влияния естественных дефектов h-BN на структурную целостность и механическую прочность. Команда обнаружила, что монослой h-BN, содержащий пустоты размером ~ 100 нм, может быть деформирован даже до 58% (см. Фильм /GIF). Атомистическое моделирование и моделирование континуума показали, что по сравнению с дефектами, внесенными во время подготовки образца, предел упругости h-BN фактически невосприимчив к естественным атомистическим дефектам (таким как границы зерен и вакансии). Эти субмикрометровые пустоты не вредны, а только снижают предел упругости h-BN с ~ 62% до ~ 58%, что демонстрирует его высокую стойкость к дефектам.

«На нашей экспериментальной платформе нам удалось исследовать механические свойства еще одного важного двухмерного материала. Впервые мы продемонстрировали высокую жесткость и большую однородную упругую деформацию монослоя h-BN. Обнадеживающие результаты не только способствуют разработка приложений h-BN в инженерии деформаций, пьезоэлектроники и гибкой электроники, но также предлагает новый способ улучшения характеристик 2-D композитов и устройств. Они также предоставляют мощный инструмент для исследования механических свойств других 2-D материалы ", - сказал доктор Лу.

Их выводы были опубликованы в Cell Reports Physical Science , журнал с открытым доступом от Cell Press, озаглавленный «Большая упругая деформация и устойчивость к дефектам монослоев гексагонального нитрида бора».


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии