材料學(xué)院劉鍇課題組在二維材料力學(xué)性質(zhì)和斷裂行為研究方面取得新進展
????????近日，清華大學(xué)材料學(xué)院劉鍇副教授課題組在《納米快報》（Nano Letters）上在線發(fā)表了題為《多相碲化鉬在等軸拉伸下的力學(xué)性質(zhì)和斷裂行為》（Elastic Properties and Fracture Behaviors of Biaxially Deformed, Polymorphic MoTe2）的研究論文。該研究不僅獲得了多相MoTe2薄層的彈性模量、斷裂強度和斷口形狀，而且結(jié)合理論計算探討了面內(nèi)各向異性二維材料在等軸拉伸下的力學(xué)行為。
????????力學(xué)性質(zhì)是材料的基本性質(zhì)。對于二維材料而言，了解其力學(xué)性質(zhì)是實現(xiàn)應(yīng)力調(diào)控、發(fā)展柔性電子器件的基礎(chǔ)。以往針對二維材料力學(xué)性質(zhì)的研究多是基于各向同性材料，而各向異性材料在等軸拉伸下的力學(xué)性質(zhì)，特別是斷裂行為則尚未被報道。MoTe2是一種典型的二維材料，它有三種相：六方晶格的2H相是面內(nèi)各向同性的，而單斜晶格的1T’相和四方晶格的Td相是面內(nèi)各向異性的。MoTe2的三相各自具有獨特的性質(zhì)，又可相互轉(zhuǎn)變，因此受到了學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。
????????劉鍇研究團隊通過機械剝離法制備了三相MoTe2樣品，并通過納米壓入法測試了其彈性模量和斷裂強度。三相的彈性模量相差在15 %以內(nèi)，但2H相的斷裂強度比1T’及Td相高一倍。2H相的斷口是三叉形的，而1T’的斷口是一字形的（如下圖）。研究團隊通過二次諧波光譜確定了晶體取向，發(fā)現(xiàn)各相的斷口均是沿著Mo-Mo原子鏈方向（zig-zag方向），斷口的形狀反映了晶體的對稱性。第一性原理計算表明，對所有三個相，沿Mo-Mo原子鏈方向的邊界形成能最低，根據(jù)能量最低原理，該方向是首要的斷裂方向；但對1T’相，原子重構(gòu)引起成鍵強度不均勻，使得較弱的化學(xué)鍵被選擇性的斷開，其斷裂強度明顯低于2H相。上述理論預(yù)測與實驗結(jié)果一致。本文第一次報道了基于納米壓入法測試各向異性二維材料在等軸拉伸下的力學(xué)行為，為研究其他各種二維材料的力學(xué)性質(zhì)和斷裂行為提供了普適性參考。
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MoTe2的斷裂示意（左）及2H相（右上）、1T’相（右下）樣品的斷口形貌和晶體取向
??????? 該論文第一作者為材料學(xué)院16級博士生孫雨飛、美國天普大學(xué)Jinbo Pan博士、物理系博士生張澤濤，通訊作者為材料學(xué)院劉鍇副教授，美國天普大學(xué)Qimin Yan助理教授以及清華大學(xué)物理系徐勇副教授。其他重要合作者包括南方科技大學(xué)程春副教授、清華大學(xué)物理系段文暉院士、周樹云教授、吳揚博士，北京大學(xué)劉開輝研究員以及清華大學(xué)化學(xué)系焦麗穎副教授。該工作得到了基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、面上項目，科技部重點研發(fā)計劃以及霍英東教育基金等科研項目的支持。
??????? 文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.8b03833
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