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，就連在實驗室內(nèi)觀測實物也并不容易。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發(fā)的技術(shù)及測試平臺，首次測試出單層石墨烯的拉伸強度以及彈性極限。相關(guān)結(jié)果有助科研界及石墨烯應(yīng)用行業(yè)建立石墨烯的實際力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)，從而有助推動這種高性能材料在柔性電子器件和工程中的應(yīng)用。

團隊研究結(jié)果早前于國際期刊《自然-通訊》上發(fā)表，題為〈Elastic straining of free-standing monolayer graphene〉，及后更獲《科學(xué)》雜志的〈Editors’ Choice〉專欄介紹。

石墨烯因為具備多種獨特的物理性質(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)的香港城大機械工程學(xué)系副教授陸洋博士說：＂石墨烯理論上集合六大卓越特性：超薄、具彈性、高強度、透明、導(dǎo)電以及傳熱，可以說是未來的理想材料。這次我們的研究集中于石墨烯的彈性和強度這兩方面的實際表現(xiàn)。＂

石墨烯的＂強＂到底有＂多強＂?

在陸博士團隊進行此研究之前，來自美國哥倫比亞大學(xué)的James Hone教授與團隊，首次利用納米壓痕技術(shù)于原子力顯微鏡下，測得石墨烯的極限強度達(dá)到130 GPa，從而確定石墨烯是地表最強的材料。陸博士指出，該研究提供的數(shù)值是測試石墨烯某一點所能承受的局部最大壓力，＂但是實際工程應(yīng)用還需考慮現(xiàn)實中見于大面積單層石墨烯的邊界和邊緣瑕疵等，所以真實力學(xué)性能數(shù)值應(yīng)與理論極限強度有差距＂。他認(rèn)為，較直接的工程強度測試做法，應(yīng)該是拉伸一塊無支撐的大面積單層石墨烯，才更接近其真實承載應(yīng)用的環(huán)境，例如是用于柔性電子器件或納米復(fù)合材料。

陸博士與團隊于是對石墨烯設(shè)計并展開了原位定量力學(xué)的實驗。由于單層石墨烯僅為薄薄一層碳原子，陸博士坦言面對不少挑戰(zhàn)：＂我們首先要將無支撐、大面積的石墨烯樣本完整地轉(zhuǎn)移到我們特制的納米力學(xué)測試器件上。之后我們開發(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試的高質(zhì)量樣本，最后將樣本放在高分辨掃描電子顯微鏡下，作可量化拉伸測試，實時地觀察變形的狀況。整個克服技術(shù)挑戰(zhàn)的過程花上我們團隊三年多時間。＂他續(xù)說︰＂過程中，把生長于銅表面的單層石墨烯成功剝離，再精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)移到測試平臺上最花時間。＂

 

 

陸博士表示，轉(zhuǎn)移的過程幸好得到化學(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)移的新范式＂。加上陸博士與實驗室團隊于測試不同納米物料力學(xué)性能上的豐富經(jīng)驗，他們最終克服重重實驗設(shè)計的困難，完成這次史無前例的實驗，＂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＂

運用上述技術(shù)和平臺，團隊在掃描電子顯微鏡的觀測下，對單層石墨烯進行定量拉伸測試，測出石墨烯的實際力學(xué)性能。結(jié)果表明，通過化學(xué)氣相沉積（Chemical vapor deposition, CVD）制備的高質(zhì)量單層石墨烯，在循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變測試中，可實現(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，其對應(yīng)彈性模量（Young's modulus ）為920 GPa，非常接近于理論值的約1000 GPa。而整幅樣本的拉伸強度（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際中也確實是極強的物料。

 

 

_{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＂（ultra-strength，即實際拉伸強度達(dá)理論值的十分一）水平，甚至能接近＂深層超強度＂（deep ultra-strength，即實際拉伸強度達(dá)理論值的一半）。他說：＂一種物料如果能整體達(dá)到深層超強度的狀態(tài)，就可能會有意料之外的新物理特性。＂

下一步可透過彈性應(yīng)變工程裝置調(diào)控石墨烯

 

陸博士指出，設(shè)計應(yīng)用時不能只考慮材料的理想數(shù)值，因此透過實驗了解材料的實際力學(xué)性能十分重要。這次實驗結(jié)果有望幫助奠定石墨烯的真實力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)，團隊希望可藉此推動這種高性能材料更適切地實際應(yīng)用在不同領(lǐng)域，例如用于柔性觸摸屏幕、可穿戴電子器件、太陽能電池、傳感器、生物醫(yī)學(xué)工程，甚至制成輕質(zhì)高強度納米復(fù)合材料，應(yīng)用于航空及防衛(wèi)科技等。

＂我們現(xiàn)時更知道了石墨烯實際上可承受極大晶格變形，就可透過彈性應(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用于電子或光電子裝置。＂陸博士說。

 

研究結(jié)果早前于國際期刊《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)的博士生馮詩喆。其他香港城大研究團隊成員包括李淑惠博士和機械工程學(xué)系的高立波博士（現(xiàn)為西安電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院副教授）。這項研究得到香港城大、香港研究資助局和國家自然科學(xué)基金的支持。

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

石墨烯開拓二維物料世界

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。二人研究其性質(zhì)并因而獲頒2010年的諾貝爾物理學(xué)獎。10年后的2020年，另外三位物理學(xué)家Pablo Jarillo-Herrero教授、Allan H. MacDonald教授、Rafi Bistritzer博士因為對雙層石墨烯的理論與實驗研究，獲頒被視為諾貝爾獎前哨的沃爾夫獎（Wolf Prize）的物理學(xué)獎。Pablo Jarillo-Herrero教授與研究團隊發(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）并置于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，令它變成完全沒有電阻的超導(dǎo)材料。陸博士說：＂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。我們會繼續(xù)研究單層及雙層石墨烯的彈性應(yīng)變效應(yīng)，并嘗試透過納米力學(xué)方式，控制晶格的幾何應(yīng)變以發(fā)掘它們的新驚喜。＂

本文已于 “香港城大研創(chuàng)” 微信公眾號發(fā)布。
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