清华物理系在二维材料力学性质的合作研究中取得进展

2019年1月16日

近日,清华材料学院刘锴副教授课题组与清华物理系低维量子物理国家重点实验室的徐勇、段文晖课题组在《纳米快报》(Nano Letters)上在线发表了题为《多相碲化钼在等轴拉伸下的力学性质和断裂行为》(Elastic Properties and Fracture Behaviors of Biaxially Deformed, Polymorphic MoTe2)的合作研究论文。该研究不仅获得了多相MoTe2薄层的弹性模量、断裂强度和断口形状,而且结合理论计算探讨了面内各向异性二维材料在等轴拉伸下的力学行为。

力学性质是材料的基本性质。对于二维材料而言,了解其力学性质是实现应力调控、发展柔性电子器件的基础。以往针对二维材料力学性质的研究多是基于各向同性材料,而各向异性材料在等轴拉伸下的力学性质,特别是断裂行为则尚未被报道。MoTe2是一种典型的二维材料,它有三种相:六方晶格的2H相是面内各向同性的,而单斜晶格的1T’相和四方晶格的Td相是面内各向异性的。MoTe2的三相各自具有独特的性质,又可相互转变,因此受到了学术界广泛关注,也是力学性质研究的理想材料。

刘锴研究团队通过机械剥离法制备了三相MoTe2样品,并通过纳米压入法测试了其弹性模量和断裂强度。三相的弹性模量相差在15 %以内,但2H相的断裂强度比1T’及Td相高一倍。2H相的断口是三叉形的,而1T’的断口是一字形的(如下图)。研究团队通过二次谐波光谱确定了晶体取向,发现各相的断口均是沿着Mo-Mo原子链方向,断口的形状反映了晶体的对称性。第一性原理计算表明,对所有三个相,沿Mo-Mo原子链方向的边界形成能最低,根据能量最低原理,该方向是首要的断裂方向;但对1T’相,原子重构引起成键强度不均匀,使得较弱的化学键被选择性的断开,其断裂强度明显低于2H相。上述理论预测与实验结果一致。本文第一次报道了基于纳米压入法测试各向异性二维材料在等轴拉伸下的力学行为,为研究其他各种二维材料的力学性质和断裂行为提供了普适性参考。

该论文第一作者为材料学院16级博士生孙雨飞、美国天普大学Jinbo Pan博士、物理系博士生张泽涛,共同通讯作者为材料学院刘锴副教授,美国天普大学Qimin Yan助理教授以及清华大学物理系徐勇副教授。其他重要合作者包括南方科技大学程春副教授、清华大学物理系段文晖院士、周树云教授、吴扬博士,北京大学刘开辉研究员以及清华大学化学系焦丽颖副教授。该工作得到了基金委基础科学中心项目、面上项目,科技部重点研发计划以及霍英东教育基金等科研项目的支持。
 

文章链接:https://pubs.acs.org/articlesonrequest/AOR-RmnXFhqzhUkwHg7rS2xc

2H相(左图)及1T’相(右图)MoTe2样品形貌、断口形貌及相应晶体取向