清華大學Nanotechnology：揭示二維多晶氧化鉛納米片楊氏模量厚度依附性的力學公式

研究背景

α-PbO是一種具有高化學穩定性和熱力學穩定性的IV族氧化物，具有二維層狀結構。除了傳統工業化用途，近年來在α-PbO理論計算領域研究表明其在以下幾個方面具有潛在的應用前景：不僅可以作為非線性光學元件，而且在光伏器件領域將發揮重要作用；同時，α-PbO納米片價帶邊范霍夫奇異性可能使得其具有優異的鐵磁性和超導電性。然而，具有規則形態、較大尺寸的高質量α-PbO納米片目前鮮有報道，其可控合成仍是一個重大挑戰，這嚴重阻礙了其進一步實驗研究。同時，作為未來具有極大發展潛力的器件組分，對其機械性能研究必不可少，然而目前α-PbO納米片的力學性能研究仍為空白。

成果簡介

近日，清華大學化學系教授曹化強團隊和清華大學機械工程系副教授解國新團隊（共同通訊作者）合作，通過構建兩相界面溶劑熱技術，實現了具有不同厚度的大尺寸多晶α-PbO納米片的制備。同時，通過微機械原子力顯微鏡探針納米壓痕技術，對α-PbO納米片機械性能進行研究。不僅發現厚度為3.74nm的多晶α-PbO納米片具有288.0 ± 37.1 GPa超高楊氏模量值，同時，進一步選擇對不同厚度（3.74 nm-27.54 nm）的多晶α-PbO納米片進行力學性能探索，發現多晶α-PbO納米片的楊氏模量具有厚度定量的依附性規律，提出了相應的力學公式E=E₀?+K·t^-1，其中E為多晶α-PbO納米片的楊氏模量，E₀?= 24.0 GPa（塊狀單晶PbO楊氏模量值），K=865.7 GPa·nm（厚度系數），t為晶α-PbO納米片的厚度（nm）。同時，作者通過理論計算，從理論上驗證了實驗探究出來的楊氏模量厚度依附性關系的正確性，同時還對材料的多晶結構相對于單晶結構所呈現的力學增強效應給予了解釋。這種楊氏模量隨厚度增加而減小的關系被歸因于其較弱的層間結合力，該公式的建立將有望拓展應用至其他同樣具有弱層間結合力的二維材料中。

該工作近期以 “Thickness-dependent Young’s modulus of polycrystalline α-PbO nanosheets”為題發表在英國物理學會出版社雜志《納米技術》（Nanotechnology）上。相關工作得到國家重點研發計劃和973項目資助。

圖文導讀

圖一?多晶α-PbO納米片的結構表征

圖二?多晶α-PbO納米片合成過程及機理

圖三?多晶α-PbO納米片的力學性能測試

圖四?單晶α-PbO納米片的力學性能理論計算

文章鏈接

Wang C., Wu, S., Yang, X., Yan, Z., Xie, G., Zhang, S., Wang, J., Cao, H. Thickness-dependent young's modulus of polycrystalline α-PbO nanosheets. Nanotechnology, 31, 395712 (2020). https://doi.org/ 10.1088/1361-6528/ab9577

網址鏈接

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/ab9577

本文由作者團隊供稿。