p Por causa de seu físico único, químico, propriedades elétricas e ópticas, materiais bidimensionais (2-D) têm atraído muita atenção nas últimas décadas. Depois de revelar a força e elasticidade realistas do grafeno, apelidado de "ouro negro, "pesquisadores da City University of Hong Kong (CityU) levaram adiante o sucesso revelando a alta tolerância a defeitos e elasticidade do nitreto de boro hexagonal (h-BN), outro material 2-D conhecido como "grafeno branco". Este estudo de acompanhamento promoverá o desenvolvimento futuro e aplicações da engenharia de deformação, piezoeletrônica e eletrônica flexível. p Desde que cientistas britânicos esfoliaram cristalitos de um átomo de espessura de grafite em massa em 2004 pela primeira vez, a pesquisa em materiais 2-D passou por avanços rápidos. Novos materiais 2-D foram descobertos, incluindo nitreto de boro hexagonal (h-BN), o foco deste artigo, dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), como MoS2, e fósforo preto (BP). Esses materiais 2-D isolados com sucesso têm diferentes intervalos de banda (de 0 a 6 eV), e gama de condutores, semicondutores para isoladores, que ilustra seu potencial em aplicações de dispositivos eletrônicos.

p A condutividade de um material é determinada por faixas de energia. Quando há um pequeno gap de energia entre a banda de valência e a banda de condução (o valor do gap é próximo a 0), elétrons podem se mover livremente entre as duas bandas de energia, aquele é um condutor. Quando a lacuna entre a banda de valência e a banda de condução é grande (o valor da lacuna de banda é próximo a 6), elétrons estão presos na banda de valência e não podem pular livremente, isso é um isolante. Quando o valor do gap pode ser controlado por campo elétrico aplicado externamente, isso é um semicondutor.

p Às vezes referido como "grafeno branco, "O h-BN compartilha uma estrutura semelhante com o grafeno. As estimativas teóricas de suas propriedades mecânicas e sua estabilidade térmica também são comparáveis ​​às do grafeno. Devido ao seu gap ultra-largo de ~ 6 eV, h-BN pode servir em optoeletrônica ou como um substrato dielétrico para grafeno ou outros eletrônicos baseados em materiais 2-D. Mais importante, sua lacuna de banda pode ser modificada por meio da abordagem de engenharia de deformação elástica (ESE), na qual a estrutura de banda do material pode ser significativamente ajustada por deformação ou distorção da rede.

p Vale ressaltar que h-BN pode melhorar o desempenho de dispositivos de grafeno. Semelhante à estrutura atômica do grafeno, monocamada h-BN tem uma pequena incompatibilidade de rede e superfície ultra-plana, que pode aumentar significativamente a densidade de portadores do grafeno. A densidade de portadores representa o número de portadores que participam da condução, que é um dos principais fatores que contribuem para a condutividade elétrica. Além disso, a lacuna de banda ultra-larga torna o h-BN um substrato dielétrico ideal para grafeno e outros eletrônicos baseados em materiais 2-D. Não tendo centro de simetria, prevê-se que a monocamada h-BN exiba potencial piezoelétrico induzido sob deformações mecânicas.

p Contudo, essas propriedades e aplicações fascinantes sempre requerem deformações relativamente grandes e uniformes. Na verdade, todos os materiais precisam ter propriedades mecânicas confiáveis ​​antes de serem usados ​​em dispositivos práticos.

p É por isso que os pesquisadores tentaram diferentes abordagens para explorar as respostas mecânicas do grafeno e outros materiais 2-D sob várias condições. Ainda, a maioria dos testes usa a técnica de nanoindentação baseada em microscopia de força atômica (AFM), em que o tamanho da ponta do indentador limita a área de teste da amostra, e a deformação é altamente não uniforme.

p Além disso, pesquisas que envolvem a transferência de amostras de materiais 2-D para um substrato flexível para introduzir o alongamento enfrentaram certas limitações. Devido à fraca adesão entre os materiais 2-D e a interface do substrato, é muito desafiador aplicar grande deformação nas amostras de materiais 2-D. Conseqüentemente, o alongamento à tração de grandes pedaços de monocamada independente h-BN e os efeitos de defeitos de ocorrência natural em sua robustez mecânica permanecem amplamente inexplorados.

p Nos últimos três anos, a equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Lu Yang, O professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica (MNE) da CityU trabalhou incansavelmente com outra equipe da Universidade de Tsinghua para desenvolver a primeira técnica de teste de tração in-situ quantitativa do mundo para materiais 2-D independentes. Recentemente, eles expandiram seus esforços de pesquisa de grafeno monocamada para h-BN.

p Usando a plataforma nanomecânica 2-D desenvolvida anteriormente pela equipe, os pesquisadores realizaram com sucesso o esforço de tração quantitativo em monocamada independente h-BN pela primeira vez (ver Figura 1). O experimento mostrou que sua elasticidade totalmente recuperável era de até 6,2% e o módulo de Young 2-D correspondente era de cerca de 200 N / m.

p Outro foco da pesquisa foi explorar os efeitos dos defeitos naturais do h-BN na integridade estrutural e robustez mecânica. A equipe descobriu que, monocamada h-BN contendo vazios de ~ 100 nm pode ser esticado até 5,8% (veja Filme / GIF). As simulações atomísticas e contínuas mostraram que, em comparação com as imperfeições introduzidas durante a preparação da amostra, o limite elástico de h-BN é virtualmente imune a defeitos atomísticos que ocorrem naturalmente (como limites de grãos e espaços vazios). Esses vazios submicrométricos não são prejudiciais, apenas reduzindo o limite elástico de h-BN de ~ 6,2% para ~ 5,8%, o que demonstra sua alta tolerância a defeitos.

p "Com base em nossa plataforma experimental, conseguimos investigar as propriedades mecânicas de outro importante material 2-D. Pela primeira vez, demonstramos a alta rigidez e a grande deformação elástica uniforme da monocamada h-BN. Os resultados encorajadores não só contribuem para o desenvolvimento de aplicações de h-BN na engenharia de deformações, piezoeletrônica e eletrônica flexível, mas também propor uma nova maneira de melhorar o desempenho de compostos e dispositivos 2-D. Eles também fornecem uma ferramenta poderosa para explorar as propriedades mecânicas de outros materiais 2-D, "Dr. Lu disse.

p Suas descobertas foram publicadas em Cell Reports Physical Science , um jornal de acesso aberto da Cell Press, intitulado "Grande deformação elástica e tolerância a defeitos de monocamadas hexagonais de nitreto de boro".