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婁俊聯(lián)手六院院士高華健《Nature》：發(fā)現(xiàn)六方氮化硼的超強(qiáng)韌性，是石墨烯的10倍！

信息來(lái)源：本站 | 發(fā)布日期： 2024-05-09 09:17:55 | 瀏覽量：240371

摘要：

六方氮化硼 (h-BN)是一種二維層狀寬帶隙絕緣材料，具有良好的耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和介電特性，被廣泛用作電子器件中。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，六方氮化硼和石墨烯十分相似，都由原子的排列在互連六邊形的平面晶格組成。唯一不同的是，在石墨烯中，所有原子都是碳，而在 h-BN 中，每…

六方氮化硼 (h-BN)是一種二維層狀寬帶隙絕緣材料，具有良好的耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和介電特性，被廣泛用作電子器件中。
從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，六方氮化硼和石墨烯十分相似，都由原子的排列在互連六邊形的平面晶格組成。唯一不同的是，在石墨烯中，所有原子都是碳，而在 h-BN 中，每個(gè)六邊形都包含三個(gè)氮原子和三個(gè)硼原子。
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圖1. 石墨烯的原子結(jié)構(gòu)
碳-碳鍵是自然界中最強(qiáng)的鍵之一，因此理論上石墨烯要比 h-BN 堅(jiān)固得多。雖然這兩種材料的強(qiáng)度和彈性模量差不多，但 h-BN 略低：石墨烯的強(qiáng)度約為130 GPa，楊氏模量約為1.0 TPa；而h-BN 的強(qiáng)度和模量則分別為 100 GPa和 0.8 TPa。
然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，沒(méi)有材料是沒(méi)有缺陷的，石墨烯也是如此。盡管它具有優(yōu)異的力學(xué)性能，但是石墨烯的抗裂性較低。換而言之，石墨烯很脆！
1921年，英國(guó)工程師格里菲斯發(fā)表了一篇開(kāi)創(chuàng)性的斷裂力學(xué)理論研究，描述了脆性材料的失效，以及材料中裂紋的大小與使裂紋擴(kuò)展所需的力之間的關(guān)系。百年來(lái)，科學(xué)家和工程師們一直都在使用這個(gè)理論來(lái)預(yù)測(cè)和定義材料的韌性。
2014年，美國(guó)萊斯大學(xué)婁俊教授團(tuán)隊(duì)的研究表明，石墨烯的斷裂韌性與格里菲斯的斷裂力學(xué)理論一致：當(dāng)施加在石墨烯上的應(yīng)力大于將其固定在一起的力時(shí)，裂紋會(huì)擴(kuò)展；并且能量的差異在裂紋的擴(kuò)展中被釋放。
鑒于 h-BN 與石墨烯的結(jié)構(gòu)相似，人們認(rèn)為它同樣也很脆。然而，事實(shí)并非如此。
違背百年斷裂力學(xué)理論！科學(xué)家發(fā)現(xiàn)h-BN比石墨烯的韌性高10倍
近日，來(lái)自美國(guó)萊斯大學(xué)樓峻教授和新加坡南洋理工大學(xué)高華健院士（美國(guó)科學(xué)院院士、美國(guó)工程院院士、美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院院士、德國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院外籍院士、歐洲科學(xué)院院士）的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《Nature》發(fā)文稱，他們發(fā)現(xiàn)：常識(shí)中認(rèn)為脆性的h-BN居然表現(xiàn)出超強(qiáng)的抗裂性（即韌性），是石墨烯的10倍！這個(gè)發(fā)現(xiàn)與格里菲斯的斷裂理論背道而馳，而且此前從未在二維材料中觀察到這種異常現(xiàn)象。相關(guān)研究成果以“Intrinsic toughening and stable crack propagation in hexagonal boron nitride”為題，發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature》上！
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h-BN超強(qiáng)韌性背后的機(jī)制
為了找出原因，研究團(tuán)隊(duì)對(duì) h-BN 樣品施加應(yīng)力，使用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡盡可能地觀察裂紋是如何發(fā)生的。在經(jīng)過(guò) 1,000 多個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)和后續(xù)理論分析后，他們發(fā)現(xiàn)了其中的奧秘。
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圖2. SEM觀察預(yù)裂化單層 h-BN 的斷裂和穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展。
雖然石墨烯和h-BN結(jié)構(gòu)上可能相似，但硼和氮原子不一樣，所以在h-BN中的六方晶格本征存在不對(duì)稱排列，與石墨烯中的碳六邊形不同。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在石墨烯中，裂紋傾向于從上到下直線穿過(guò)對(duì)稱的六邊形結(jié)構(gòu)，像拉鏈一樣打開(kāi)粘合。由于硼和氮之間的應(yīng)力對(duì)比，h-BN 的六邊形結(jié)構(gòu)略有不對(duì)稱，這種晶格的固有不對(duì)稱性會(huì)導(dǎo)致裂紋分叉，形成分支。
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圖3. h-BN 和石墨烯中的裂紋起始。
而如果裂紋是分叉的，那就意味著它正在轉(zhuǎn)動(dòng)。這種轉(zhuǎn)向裂紋的存在需要花費(fèi)額外的能量來(lái)進(jìn)一步推動(dòng)裂紋的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致裂紋更難以傳播，有效地增強(qiáng)了材料的韌性?！?這就是h-BN表現(xiàn)出超越石墨烯的彈性的原因。
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圖4. h-BN樣品中的裂紋擴(kuò)展和有效能量釋放率。
由于具有優(yōu)異的耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和介電特性，h-BN已經(jīng)成為二維電子和其他二位器件的極其重要的材料，不僅可以作為支撐基底，還可以作為電子元件之間的絕緣層。而如今， h-BN 令人驚訝的韌性使其成為柔性電子產(chǎn)品的理想選擇，并且對(duì)開(kāi)發(fā)用于二維電子等應(yīng)用的柔性 2D 材料具有重要意義。
新加坡南洋理工大學(xué)高華建院士表示：“這項(xiàng)工作令人驚訝的同時(shí)又令人興奮，因?yàn)樗沂玖艘环N據(jù)稱非常脆的材料的內(nèi)在增韌機(jī)制?！?/strong>
“顯然，即使是格里菲斯也無(wú)法預(yù)見(jiàn)兩種具有相似原子結(jié)構(gòu)的脆性材料的斷裂行為會(huì)有如此大的差異?！?/section>
未來(lái)，除了柔性電子紡織品應(yīng)用以外，具有超強(qiáng)韌性的h-BN還可以用做柔性電子皮膚和可以直接連接到大腦的可植入電子器件。

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