二維材料獨特的物理、化學、電學和光學性質(zhì)，令它們過去十多年成為國際間不同科學領(lǐng)域的研究熱點。香港城巿大學（香港城大）的科研人員繼首次測試出“黑色黃金”石墨烯（graphene）的實際拉伸能力和工程強度后，今年之內(nèi)再下一城，首次驗證了另一種重要二維材料、別稱“白色石墨烯”的六方氮化硼（hexagonal boron nitride, h-BN）在彈性方面的表現(xiàn)，并展示其出乎意料的強大抗缺陷能力。這項后續(xù)研究，有望推動未來h-BN應變工程、壓電電子學和柔性電子學的發(fā)展和應用。

二維材料這個領(lǐng)域的探索，由2004年英國科學家從塊狀石墨中成功分離出單層石墨烯揭開序幕。自此針對二維材料的研究高速發(fā)展，出現(xiàn)了更多的二維材料，種類多樣，包括是次研究的焦點六方氮化硼（h-BN）、過渡金屬二鹵化物（TMDs）如二硫化鉬（MoS₂），還有黑磷（BP）等。迄今為止，成功分離的二維材料具有不同的帶隙值（energy band gap）（約由0至6eV），涵蓋導體、半導體以及絕緣體1，展現(xiàn)了二維材料在電子器件應用方面的潛力。

^{1材料的導電性質(zhì)由能帶（energy band）決定。當價帶（valence band）和導帶（conduction band）的帶隙很小，即帶隙值接近0，電子可在能帶之間自由躍動，就是導體。當價帶和導帶的帶隙很寬，即帶隙值接近6，電子困于價帶無法自由躍動，就是絕緣體。帶隙值在兩者之間，導電和絕緣可由外部施加的電流來控制，就是半導體。}

被喻為“白色石墨烯”的h-BN與石墨烯的結(jié)構(gòu)極相似，具有可與石墨烯媲美的理論力學性能（即只從理論上推斷，未經(jīng)實證）和熱穩(wěn)定性，還有超寬帶隙（約6eV），常用于光電器件，或作為石墨烯和其他二維電子器件的原子級平面電介質(zhì)；并可通過彈性應變工程，即以幾何變形的方法調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)，顯著調(diào)節(jié)其帶隙。

值得一提的是h-BN能提升石墨烯的性能，它與石墨烯都具有極小的晶格匹配差，可大幅提高石墨烯的載流子密度，而載流子密度正是決定導電時有多少載流子能參與導電，是主宰導電性能的關(guān)鍵之一。h-BN原子級平整的表面，以及它所具備的超寬帶隙（約6eV），使其成為石墨烯及其他器件的理想電介質(zhì)基底。此外，由于沒有對稱中心，理論上單層h-BN受外力加載下會產(chǎn)生電荷，具有良好的壓電特性（piezoelectricity）潛力。

不過，這些都需要單層h-BN具有可靠的力學性能，并能承受較大的均勻彈性變形，才可發(fā)揮其功能特性。事實上，任何材料都需要具備可靠的機械性能，才可廣泛應用于實際的器件里。

因此，科研人員一直采用不同方法，探索石墨烯以及其他二維材料在各種條件下的力學響應。然而，大多數(shù)的力學測試都是采用原子力顯微鏡的納米壓痕技術(shù)，應力分布極不均勻，集中在壓頭接觸部位，只能測試得到二維材料某一點所能承受的局部最大壓力。此外，將二維材料轉(zhuǎn)移到柔性基底上施加應變的研究也十分有限。而鑒于二維材料的原子級厚度，在技術(shù)上直接拉伸挑戰(zhàn)極大，至今仍未有科研人員嘗試直接拉伸測試懸空的單層h-BN，亦未曾鑒定h-BN中的缺陷對其力學性能的影響。

 

不過，香港城大機械工程學系副教授陸洋博士領(lǐng)導的研究團隊之前便聯(lián)同清華大學徐志平教授的團隊，花上三年多時間，成功研發(fā)出世界領(lǐng)先的單層二維材料的樣本制備和定量原位拉伸測試技術(shù)。最近，他們兩支團隊便再次聯(lián)手，將有關(guān)測試技術(shù)推展至h-BN。

他們采用先前為測試單層石墨烯而開發(fā)的納米力學平臺，首次對懸空的單層h-BN進行直接拉伸定量觀測（見圖一），實現(xiàn)了約6.2%的完全可回復的彈性變形，對應彈性模量（Young's modulus）則約為200N/m。

研究的另一重點，是探討h-BN自然產(chǎn)生的缺陷對其力學性能的影響。團隊發(fā)現(xiàn)，即使單層h-BN包含約百余納米的孔隙（voids），仍可達到約5.8%的最大彈性變形 （見圖二）。原子模擬和連續(xù)模擬顯示，與制備樣品時引入的缺陷相比，h-BN彈性極限幾乎不受自然產(chǎn)生的原子級缺陷（如晶界和空位）影響。而那些亞微米孔隙（submicrometre voids）僅輕微降低了h-BN的彈性極限（例如由6.2%僅降至5.8%），由此可見h-BN強大的抗缺陷能力。

 

陸博士說：“我們基于自創(chuàng)的納米力學平臺，拓展了測試二維材料力學性能的研究，首次展示了單層h-BN的高剛度（stiffness）以及均勻可控的大彈性變形，研究結(jié)果令人鼓舞，不僅對h-BN未來在彈性應變工程、壓電器件和柔性電子學應用尤其重要，亦提出強化二維復合材料性能的新路徑，更為探索其他二維材料的力學性能及應用提供有力的工具?！?/p>

 

這項研究結(jié)果在細胞出版社（Cell Press）旗下期刊《Cell Reports Physical Science》發(fā)表，題為〈Large Elastic Deformation and Defect Tolerance of Hexagonal Boron Nitride Monolayers〉。陸洋博士和清華大學工程力學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為香港城大機械工程學系博士生韓英和博士畢業(yè)生曹可（現(xiàn)為西安電子科技大學機電工程學院副教授），以及清華大學工程力學系的博士生馮詩喆。其他香港城大研究團隊成員包括機械工程學系博士生王月皎和博士畢業(yè)生高立波博士（現(xiàn)為西安電子科技大學副教授）。這項研究得到香港城大、香港研究資助局和國家自然科學基金的支持。

DOI number: 10.1016/j.xcrp.2020.100172

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