被喻為黑色黃金的石墨烯（graphene）是目前世界上最薄的材料，只有一層碳原子，不但肉眼看不見(jiàn)，就連在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)觀測(cè)實(shí)物也並不容易。最近香港城市大學(xué)（香港城大）與清華大學(xué)的研究人員藉助新開(kāi)發(fā)的技術(shù)及測(cè)試平臺(tái)，首次測(cè)試出單層石墨烯的拉伸強(qiáng)度以及彈性極限。相關(guān)結(jié)果有助科研界及石墨烯應(yīng)用行業(yè)建立石墨烯的實(shí)際力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)，從而有助推動(dòng)這種高性能材料在柔性電子器件和工程中的應(yīng)用。

團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果早前於國(guó)際期刊《自然-通訊》上發(fā)表，題為〈Elastic straining of free-standing monolayer graphene〉，及後更獲《科學(xué)》雜誌的〈Editors’ Choice〉專欄介紹。

石墨烯因?yàn)榫邆涠喾N獨(dú)特的物理性質(zhì)，被視為他日將可取代許多在現(xiàn)代科技應(yīng)用的未來(lái)物料，而被喻為「黑色黃金」。負(fù)責(zé)帶領(lǐng)這次研究、專門研究納米力學(xué)的香港城大機(jī)械工程學(xué)系副教授陸洋博士說(shuō)：「石墨烯理論上集合六大卓越特性：超薄、具彈性、高強(qiáng)度、透明、導(dǎo)電以及傳熱，可以說(shuō)是未來(lái)的理想材料。這次我們的研究集中石墨烯的彈性和強(qiáng)度這兩方面的實(shí)際表現(xiàn)。」

石墨烯的「強(qiáng)」到底有「多強(qiáng)」?

在陸博士團(tuán)隊(duì)進(jìn)行此研究之前，來(lái)自美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的James Hone教授與團(tuán)隊(duì)，首次利用納米壓痕技術(shù)於原子力顯微鏡下，測(cè)得石墨烯的極限強(qiáng)度達(dá)到130 GPa，從而確定石墨烯是地表最強(qiáng)的材料。陸博士指出，該研究提供的數(shù)值是測(cè)試石墨烯某一點(diǎn)所能承受的局部最大壓力，「但是實(shí)際工程應(yīng)用還需考慮現(xiàn)實(shí)中見(jiàn)於大面積單層石墨烯的邊界和邊緣瑕疵等，所以真實(shí)力學(xué)性能數(shù)值應(yīng)與理論極限強(qiáng)度有差距」。他認(rèn)為，較直接的工程強(qiáng)度測(cè)試做法，應(yīng)該是拉伸一塊無(wú)支撐的大面積單層石墨烯，才更接近其真實(shí)承載應(yīng)用的環(huán)境，例如是用於柔性電子器件或納米複合材料。

陸博士與團(tuán)隊(duì)於是對(duì)石墨烯設(shè)計(jì)並展開(kāi)了原位定量力學(xué)的實(shí)驗(yàn)。由於單層石墨烯僅為薄薄一層碳原子，陸博士坦言面對(duì)不少挑戰(zhàn)：「我們首先要將無(wú)支撐、大面積的石墨烯樣本完整地轉(zhuǎn)移到我們特製的納米力學(xué)測(cè)試器件上。之後我們開(kāi)發(fā)出樣本形貌控制的技術(shù)，成功利用聚焦離子束，精準(zhǔn)地剪裁出用作拉伸測(cè)試的高品質(zhì)樣本，最後將樣本放在高分辨掃描電子顯微鏡下，作可量化拉伸測(cè)試，實(shí)時(shí)地觀察變形的狀況。整個(gè)克服技術(shù)挑戰(zhàn)的過(guò)程花上我們團(tuán)隊(duì)三年多時(shí)間。」他續(xù)說(shuō)︰「過(guò)程中，把生長(zhǎng)於銅表面的單層石墨烯成功剝離，再精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)移到測(cè)試平臺(tái)上最花時(shí)間。」

 

 

陸博士表示，轉(zhuǎn)移的過(guò)程幸好得到化學(xué)系助理教授李淑惠博士的幫助，「令我們確立了一種樣本轉(zhuǎn)移的新範(fàn)式」。加上陸博士與實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)於測(cè)試不同納米物料力學(xué)性能上的豐富經(jīng)驗(yàn)，他們最終克服重重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的困難，完成這次史無(wú)前例的實(shí)驗(yàn)，「這也是香港城大不同學(xué)系的專家共同努力的成果」。

石墨烯力學(xué)性能不再「紙上談兵」

運(yùn)用上述技術(shù)和平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)在掃描電子顯微鏡的觀測(cè)下，對(duì)單層石墨烯進(jìn)行定量拉伸測(cè)試，測(cè)出石墨烯的實(shí)際力學(xué)性能。結(jié)果表明，通過(guò)化學(xué)氣相沉積（Chemical vapor deposition, CVD）製備的高質(zhì)量單層石墨烯，在循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試中，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)大約5%的完全可回復(fù)的彈性變形，其斷裂應(yīng)變達(dá)到約6%。同時(shí)，其對(duì)應(yīng)彈性模量（Young's modulus ）為920 GPa，非常接近於理論值的約1000 GPa。而整幅樣本的拉伸強(qiáng)度（tensile strength）則達(dá)到50至60 GPa，約為理論極限值130 GPa的一半，證明大面積單層石墨烯在實(shí)際中也確實(shí)是極強(qiáng)的物料。

 

_{石墨烯彈性拉伸的影像。（DOI : 10.1038/s41467-019-14130-0）}

陸博士表示，這些結(jié)果反映高質(zhì)量CVD石墨烯不單可達(dá)「超強(qiáng)」（ultra-strength，即實(shí)際拉伸強(qiáng)度達(dá)理論值的十分一）水平，甚至能接近「深層超強(qiáng)度」（deep ultra-strength，即實(shí)際拉伸強(qiáng)度達(dá)理論值的一半）。他說(shuō)：「一種物料如果能整體達(dá)到深層超強(qiáng)度的狀態(tài)，就可能會(huì)有意料之外的新物理特性。」

下一步可透過(guò)彈性應(yīng)變工程裝置調(diào)控石墨烯

 

陸博士指出，設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)不能只考慮材料的理想數(shù)值，因此透過(guò)實(shí)驗(yàn)了解材料的實(shí)際力學(xué)性能十分重要。這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果有望幫助奠定石墨烯的真實(shí)力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)，團(tuán)隊(duì)希望可藉此推動(dòng)這種高性能材料更適切地實(shí)際應(yīng)用在不同領(lǐng)域，例如用於柔性觸摸屏幕、可穿戴電子器件、太陽(yáng)能電池、感應(yīng)器、生物醫(yī)學(xué)工程，甚至製成輕質(zhì)高強(qiáng)度納米複合材料，應(yīng)用於航空及防衛(wèi)科技等。

「我們現(xiàn)時(shí)更知道了石墨烯實(shí)際上可承受極大晶格變形，就可透過(guò)彈性應(yīng)變工程（elastic strain engineering）的概念，在精確調(diào)控拉伸應(yīng)變的情況下，將石墨烯或其他二維物料在未來(lái)用於電子或光電子裝置。」陸博士說(shuō)。

研究結(jié)果早前於國(guó)際期刊《自然-通訊》上發(fā)表，題為〈Elastic straining of free-standing monolayer graphene〉。陸博士和清華大學(xué)工程力學(xué)系的徐志平教授為論文的共同通訊作者。論文的共同第一作者包括香港城大機(jī)械工程學(xué)系副研究員及陸博士曾指導(dǎo)的博士生曹可和博士生韓英、清華大學(xué)的博士生馮詩(shī)喆。其他香港城大研究團(tuán)隊(duì)成員包括李淑惠博士和機(jī)械工程學(xué)系的高立波博士（現(xiàn)為西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授）。這項(xiàng)研究得到香港城大、香港研究資助局和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

DOI number: 10.1038/s41467-019-14130-0

石墨烯開(kāi)拓二維物料世界

石墨烯是世界上首種二維物料，由兩位物理學(xué)家Andre Geim教授和Konstantin Novoselov教授成功由石墨剝離出來(lái)。二人研究其性質(zhì)並因而獲頒2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。10年後的2020年，另外三位物理學(xué)家Pablo Jarillo-Herrero教授、Allan H. MacDonald教授、Rafi Bistritzer博士因?yàn)閷?duì)雙層石墨烯的理論與實(shí)驗(yàn)研究，獲頒被視為諾貝爾獎(jiǎng)前哨的沃爾夫獎(jiǎng)（Wolf Prize）的物理學(xué)獎(jiǎng)。Pablo Jarillo-Herrero教授與研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，把雙層石墨烯相互扭轉(zhuǎn)1.1度角（被稱為魔角，magic angle）並置於1.7K（即攝氏零下271.45度）的低溫之下，就可以改變石墨烯的導(dǎo)電性，令它變成完全沒(méi)有電阻的超導(dǎo)材料。陸博士說(shuō)：「這顯示即使是同一種材料，只需稍為改變其晶格的幾何設(shè)定，也可以發(fā)現(xiàn)全新的特性。我們會(huì)繼續(xù)研究單層及雙層石墨烯的彈性應(yīng)變效應(yīng)，並嘗試透過(guò)納米力學(xué)方式，控制晶格的幾何應(yīng)變以發(fā)掘它們的新驚喜。」

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