白色石墨烯具有高缺陷耐受性和弹性

由于其独特的物理、化学、电学和光学特性，二维 (2-D) 材料在过去几十年中引起了极大的关注。城市大学 (CityU) 的研究人员揭示了绰号“黑金”石墨烯的真实强度和可拉伸性后，通过揭开另一种六方氮化硼 (h-BN) 的高缺陷耐受性和弹性，进一步取得了成功。二维材料称为“白色石墨烯”。这项后续研究将促进应变工程、压电电子学和柔性电子学的未来发展和应用。

自 2004 年英国科学家首次从块状石墨中剥离出单原子厚的微晶以来，二维材料的研究取得了快速进展。已经发现了新型二维材料，包括本文重点介绍的六方氮化硼 (h-BN)、过渡金属二硫属化物 (TMD)，例如 MoS2 和黑磷 (BP)。那些成功隔离的二维材料具有不同的带隙(从 0 到 6 eV)，范围从导体、半导体到绝缘体，这说明了它们在电子设备应用中的潜力。

材料的电导率由能带决定。当价带与导带之间存在很小的能隙时(带隙值接近于0)，电子可以在两个能带之间自由移动，即为导体。当价带与导带间隙较大时(带隙值接近6)，电子被困在价带内不能自由跳跃，即绝缘体。当带隙值可以通过外加电场控制时，即为半导体。

有时被称为“白色石墨烯”，h-BN 与石墨烯具有相似的结构。其机械性能和热稳定性的理论估计也可与石墨烯相媲美。由于其~6 eV 的超宽带隙，h-BN 可用于光电或作为石墨烯或其他基于二维材料的电子产品的介电基板。更重要的是，它的带隙可以通过弹性应变工程(ESE)方法进行修改，其中材料带结构可以通过晶格应变或畸变进行显着调整。

值得一提的是，h-BN 可以提高石墨烯器件的性能。与石墨烯的原子结构相似，单层h-BN具有小的晶格失配和超平坦的表面，可以显着提高石墨烯的载流子密度。载流子密度代表参与导电的载流子数量，这是影响导电性的关键因素之一。此外，超宽带隙使 h-BN 成为石墨烯和其他基于二维材料的电子产品的理想介电基板。由于没有对称中心，预计单层 h-BN 在机械应变下会表现出感应压电势。

然而，这些迷人的特性和应用总是需要相对较大和均匀的变形。事实上，所有材料都需要具备可靠的机械性能，才能用于实际设备中。

这就是为什么研究人员尝试了不同的方法来探索石墨烯和其他二维材料在各种条件下的机械响应。然而，大多数测试使用基于原子力显微镜(AFM)的纳米压痕技术，其中压头尖端的大小限制了样品的测试区域，并且应变高度不均匀。

此外，涉及将二维材料样品转移到柔性基板上以引入拉伸的研究也面临着某些限制。由于二维材料与基板界面之间的附着力较弱，因此在二维材料样品上施加大应变是非常具有挑战性的。因此，大块独立式单层 h-BN 的拉伸拉伸以及自然存在的缺陷对其机械强度的影响在很大程度上仍未得到探索。

过去三年，城大机械工程系副教授陆扬博士带领的研究团队与另一支清华大学团队孜孜不倦地合作，开发出全球首个定量原位拉伸测试技术用于独立的二维材料。最近，他们将研究工作从单层石墨烯扩展到 h-BN。

使用团队先前开发的二维纳米机械平台，研究人员首次成功地对独立式单层 h-BN 进行了定量拉伸应变(见图 1)。实验表明，其完全可恢复弹性高达6.2%，相应的二维杨氏模量约为200 N/m。

研究的另一个重点是探索 h-BN 的天然缺陷对结构完整性和机械强度的影响。该团队发现，含有~100 nm 空隙的单层 h-BN 甚至可以应变高达 5.8%(参见电影/GIF)。原子和连续介质模拟表明，与样品制备过程中引入的缺陷相比，h-BN 的弹性极限几乎不受自然发生的原子缺陷(如晶界和空位)的影响。那些亚微米空隙并无害处，只是将 h-BN 的弹性极限从~6.2% 降低到~5.8%，这表明其高缺陷容限。

“基于我们的实验平台，我们设法研究了另一种重要二维材料的机械性能。我们首次展示了单层 h-BN 的高刚度和大的均匀弹性变形。令人鼓舞的结果不仅有助于h-BN 在应变工程、压电电子学和柔性电子学方面的应用发展，同时也提出了一种提高二维复合材料和器件性能的新方法。它们也为探索其他二维材料的机械性能提供了有力的工具材料，”卢博士说。

他们的研究结果发表在Cell Press 的开放获取期刊Cell Reports Physical Science 上，标题为“Large Elastic Deformation and Defect Tolerance of Hexagonal Boron Nitride Monolayers”。

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