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颠覆认知，违背百年经典理论！今日最新《Nature》，将改写教科书！

2021-06-09 15:54:03 19 788

研究背景

六方氮化硼(h-BN)与石墨是等电子体。它具有白色石墨之称，具有类似石墨的层状结构，有良好的润滑性，电绝缘性导热性和耐化学腐蚀性，具有中子吸收能力。化学性质稳定对所有熔融金属化学呈惰性，成型制品便于机械加工，有很高的耐湿性。在氮气压力下熔点为3000 ℃，在大气压下与2500 ℃升华。其理论密度为2.29克/立方厘米。莫氏硬度2，抗氧温度900 ℃，耐高温2000 ℃，在氮和氩中使用熔点为3000 ℃。氮化硼是化学惰性的材料，在氩气气氛下直至2700℃仍是稳定的。

受限于二维(2D)几何形状，2D材料中的裂纹通常倾向于在室温下具有最小塑性的脆性行为。脆性裂纹通常从表面上的应力集中点开始，因此表面弹性可以调节裂纹的产生。断裂不仅仅是解理，当晶体被解理时，裂纹表面产生，表面晶格松弛，因为表面原子的相邻原子比主体原子的相邻原子少。由于电荷再分布，这导致表面应力和表面模量的值不同于体内的值。拉伸或压缩表面应力与施加在裂纹表面的负或正表面本征应变有关。以前的研究集中在由相变触发的等表面本征应变包围的裂纹尖端，其中获得了双边对称性。这在脆性材料中被称为相变增韧，并作为一种有效的增韧策略在脆性陶瓷中被广泛应用。然而，对不对称情况知之甚少——当裂纹表面之间的表面应力有很大差异时。

在块体材料中，表面弹性效应几乎可以忽略不计。然而，在具有大的表面体积比的低维结构中，例如纳米粒子(0D)、纳米线(1D)和原子薄片(2D)，这种效应可能是重要的。实验观察和相场分析已经证实，当铝纳米粒子的尺寸低于20纳米时，表面应力诱导的预熔化出现在其熔化温度以下。根据分子动力学模拟研究，研究人员报告说，当金纳米线的横截面积减小到4纳米时，表面应力可以在金纳米线中产生自发的相变(从面心立方到体心立方)。在像石墨烯这样的2D材料中，由于边缘应力(类似于大块晶体中的表面应力)的存在，会发生边缘不稳定性。

研究成果

如果块体材料可以承受高负荷而没有任何不可逆的损坏(如塑性变形)，它通常是易碎的，可能会产生灾难性地失效。强度和断裂韧性之间的权衡也延伸到二维材料空间。例如，石墨烯具有超高的固有强度(约130 GPa)和弹性模量(约1.0 TPa)，但易碎，断裂韧性低(约4兆帕每平方米)。六方氮化硼(h-BN)是一种二维介电材料，具有高强度(约100吉帕斯卡)和弹性模量(约0.8太帕斯卡)，与石墨烯相似。根据格里菲斯定律，其断裂行为长期以来被认为是类似的脆性。与预期相反，莱斯大学楼峻教授和新加坡高性能计算研究所高华健院士等研究人员今日报道了单晶单层h-BN的高断裂韧性，其有效能量释放速率比格里菲斯能量释放速率和石墨烯报告的高一个数量级，韧性是石墨烯的10倍！在单层h-BN中观察到稳定的裂纹扩展，并得到相应的抗裂曲线。由于裂纹尖端的不对称边缘弹性和裂纹扩展过程中的边缘交换，裂纹偏转和分支反复发生，这从本质上使材料变得坚韧，并使裂纹稳定扩展。作者在理论分析支持下的现场实验观察表明，单层h-BN具有额外的实际益处和潜在的新技术机会，例如为二维器件增加机械保护。相关研究工作以“Intrinsic toughening and stable crack propagation in hexagonal boron nitride”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

图文速递

图1. 无预裂纹单层h-BN试样的原位拉伸试验

图2. 预裂纹单层h-BN的断裂和稳定裂纹扩展

作者通过化学气相沉积法合成了大面积单层h-BN晶体。采用了一种具有类似弹簧的“推拉”机构的微机械装置来产生面内拉伸载荷。图1显示了单层h-BN的典型拉伸试验。与石墨烯中的灾难性裂纹扩展相反，h-BN中的裂纹扩展令人惊讶地稳定，允许捕获几个裂纹扩展事件，如图1b–e所示。最初引发的裂纹长度约为1.43微米，随后增加到约2.86 μm。随着载荷增加，在薄膜顶部形成长度为5.93微米的新裂纹，迅速扩展到11.07微米，并最终穿过薄膜。它清楚地表明，裂纹偏转，给出一个分段的边缘，比清洁解理更有利。图1中测得的h-BN试样的弹性模量和断裂强度分别为413.3 GPa和4.4 GPa，其平均值(10个试样)分别为439.8± 77.3 GPa和7.9± 2.5 GPa。这些测量值远低于理论值。令人惊讶的是，平均断裂韧性达到(8.7±3.8)×10⁷ J·m^-3，几乎是单晶多层h-BN的4倍，(2.32±0.31)×10⁷ J·m^-3。这种高断裂韧性和稳定的裂纹扩展强烈表明，单层h-BN可能存在独特的增韧行为和较高的断裂韧性。

图3 h-BN和石墨烯中的裂纹萌生

图4 裂纹扩展和有效能量释放率

本文提出了一种新的单层h-BN增韧机制。裂纹尖端固有的不对称变形(由于不对称的边缘极化)和裂纹扩展过程中的边缘交换(由于三重对称)共同导致有效能量释放速率相对于格里菲斯能量释放速率增加了一个数量级。这一发现——2D晶格结构的不对称特性通过反复的裂纹偏转和分支本质上可以产生更多的能量耗散——为2D极限下的脆性材料提供了一种增韧机制。

结论与展望

由于大多数2D材料是不均匀的，不对称变形应该沿着它们的非化学计量边缘存在，其中由于它们在裂纹扩展过程中的三重对称性，裂纹偏转可能容易发生。计算和实验研究都证实了这一预测，尽管这种效应可能还没有被认为是一种内在特征。因此，裂纹偏转在具有非化学计量边缘的非均匀2D晶体中是不可避免的。最后,作者注意到h-BN一直被认为是石墨烯基或TMD基电子器件的理想电介质衬底。h-BN超高的韧性为在这些异质结构中集成一层这种材料提供了又一个理由，因为它可以为这种2D器件提供额外的机械保护。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03488-1

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