大事不好：二維材料其實很“脆弱”

材料牛注：以石墨烯為代表的二維晶體材料由于特殊的結構和性能，曾被預言會掀起顛覆性的技術革命。但是近日研究人員在研究二硒化鉬時發現，即使是小如原子空位般的缺陷也足以導致碎裂。

美國萊斯大學材料科學家Jun Lou領導的研究小組在測試二維半導體材料二硒化鉬（MoSe₂）的抗拉強度時發現，即使是小如一個原子空位的缺陷，在拉力下都會引發災難性的破裂。

這一發現可能導致企業在應用二維材料之前，更為謹慎地測試二維材料的性能。Jun Lou介紹道：“研究表明不是所有的二維晶體都具有高強度，我們目前研究的二維材料如二硒化鉬遠不如石墨烯堅強。我們認為這是二硒化鉬的固有缺陷導致的，缺陷可能小至一個原子空位，非常難以檢測。即使是很多空位締合起來，也很難發現。也許有可能用透射電子顯微鏡看到，但是那樣太耗費人力物力。”

二硒化鉬是過渡族金屬二硫化物中極具代表性的物質之一，是一種二維的半導體材料，像石墨烯一樣屬于六方晶系，具有類似于三明治的片層狀結構，硫族元素——硒原子夾在兩層金屬原子之間。二硒化鉬被認為在晶體管、下一代太陽能電池、光電探測器、催化劑以及電子和光學設備等領域具有極大潛力。

Jun Lou和他的同事測量了二硒化鉬的彈性模量，測試結果為177.2(±9.3)GPa。石墨烯的彈性模量是二硒化鉬的五倍以上。研究團隊認為這種大幅度的變動是因為二硒化鉬本身存在3.6-77.5納米的缺陷。二硒化鉬的斷裂強度測量結果為4.8(±2.9)GPa。石墨烯的斷裂強度是它的25倍左右。

該項目的一部分由萊斯大學博士后研究員Yingchao Yang負責，需要將二硒化鉬從化學氣相沉積爐的反應室中取出然后轉移到顯微鏡下，并且不能再引入缺陷。Yingchao Yang用干法轉移代替傳統的易損壞試樣的酸洗過程解決了這個問題。在對二硒化鉬樣本進行測試時，Yingchao Yang將矩形的二硒化鉬試樣放在Jun Lou團隊設計的一個非常敏感的電子顯微鏡平臺上。范德華力會使二硒化鉬樣本吸附在彈性懸臂上，測出抗拉強度。Jun Lou團隊試圖測出二硒化鉬材料的斷裂韌性，就像早期研究石墨烯時做的那樣。但是他們發現二硒化鉬材料本身帶有的缺陷會導致材料在達到抗拉強度之前就像玻璃一樣迅速破裂。

Jun Lou表示：“這項工作的的一個重要發現就是二維材料的先天脆性。很多人認為二維材料有很大的使用潛力，因為二維材料特別薄。而且二維材料是半導體并且理論上有很高的彈性強度，尤其適合制作柔性電子材料。經過我們的計算，二硒化鉬的延伸率可達到10%。但是實際上，由于材料固有的缺陷，并不能達到10%。到目前為止我們測試的樣品大多數在延伸率為2% -?3%時就發生斷裂。除非我們能夠找到杜絕二維材料缺陷的方法，否則很難讓二維材料達到理論的強度。”

原文鏈接：2-D material a brittle surprise。

本文由材料人編輯部楊樹提供素材，孟令曉編譯，點我加入材料人編輯部。

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