Debido a su físico único, químico, propiedades eléctricas y ópticas, Los materiales bidimensionales (2-D) han atraído una enorme atención en las últimas décadas. Después de revelar la fuerza realista y la capacidad de estiramiento del grafeno, apodado "oro negro, "Los investigadores de la City University of Hong Kong (CityU) han llevado adelante el éxito al revelar la alta tolerancia a defectos y la elasticidad del nitruro de boro hexagonal (h-BN), otro material bidimensional conocido como "grafeno blanco". Este estudio de seguimiento promoverá el desarrollo futuro y las aplicaciones de la ingeniería de deformaciones, piezoelectrónica y electrónica flexible.

Desde que los científicos británicos exfoliaron cristalitos de un solo átomo de espesor a partir de grafito a granel en 2004 por primera vez, la investigación sobre materiales 2-D ha experimentado rápidos avances. Se han descubierto nuevos materiales 2-D, incluyendo nitruro de boro hexagonal (h-BN), el foco de este artículo, dicalcogenuros de metales de transición (TMD) como MoS2, y fósforo negro (BP). Aquellos materiales 2-D aislados con éxito tienen diferentes intervalos de banda (de 0 a 6 eV), y van desde conductores, de semiconductores a aisladores, lo que ilustra su potencial en aplicaciones de dispositivos electrónicos.

La conductividad de un material está determinada por bandas de energía. Cuando hay una pequeña brecha de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción (el valor de la brecha de banda es cercano a 0), los electrones pueden moverse libremente entre las dos bandas de energía, que es un conductor. Cuando la brecha entre la banda de valencia y la banda de conducción es grande (el valor de la brecha de banda está cerca de 6), los electrones están atrapados en la banda de valencia y no pueden saltar libremente, eso es un aislante. Cuando el valor de la banda prohibida se puede controlar mediante un campo eléctrico aplicado externamente, eso es un semiconductor.

A veces denominado "grafeno blanco, "h-BN comparte una estructura similar con el grafeno. Las estimaciones teóricas de sus propiedades mecánicas y su estabilidad térmica también son comparables a las del grafeno. Debido a su banda prohibida ultra ancha de ~ 6 eV, h-BN puede servir en optoelectrónica o como sustrato dieléctrico para grafeno u otros componentes electrónicos basados ​​en materiales 2-D. Más importante, su banda prohibida podría modificarse mediante el enfoque de ingeniería de deformación elástica (ESE) en el que la estructura de la banda del material se puede ajustar significativamente mediante deformación o distorsión de la red.

Vale la pena mencionar que h-BN puede mejorar el rendimiento de los dispositivos de grafeno. Similar a la estructura atómica del grafeno, La monocapa h-BN tiene un pequeño desajuste de celosía y una superficie ultraplana, que puede mejorar significativamente la densidad de portadores del grafeno. La densidad de portadores representa el número de portadores que participan en la conducción, que es uno de los factores clave que contribuyen a la conductividad eléctrica. Además, la banda prohibida ultra ancha hace que h-BN sea un sustrato dieléctrico ideal para el grafeno y otros componentes electrónicos basados ​​en materiales 2-D. Sin centro de simetría, Se predice que la monocapa h-BN exhibe potencial piezoeléctrico inducido bajo tensiones mecánicas.

Sin embargo, estas fascinantes propiedades y aplicaciones siempre requieren deformaciones relativamente grandes y uniformes. De hecho, Todos los materiales deben tener propiedades mecánicas confiables antes de que puedan usarse en dispositivos prácticos.

Es por eso que los investigadores han probado diferentes enfoques para explorar las respuestas mecánicas del grafeno y otros materiales 2-D en diversas condiciones. Todavía, la mayoría de las pruebas utilizan la técnica de nanoindentación basada en microscopía de fuerza atómica (AFM), en el que el tamaño de la punta del penetrador limita el área de prueba de la muestra, y la cepa es muy no uniforme.

Es más, La investigación que implica la transferencia de muestras de materiales bidimensionales a un sustrato flexible para introducir el estiramiento se ha enfrentado a ciertas limitaciones. Debido a la débil adhesión entre los materiales 2-D y la interfaz del sustrato, es muy difícil aplicar una gran tensión en las muestras de materiales 2-D. Por lo tanto, el estiramiento por tracción de grandes piezas de monocapa independiente h-BN y los efectos de los defectos que ocurren naturalmente en su robustez mecánica permanecen en gran parte sin explorar.

Durante los últimos tres años, el equipo de investigación dirigido por el Dr. Lu Yang, El profesor asociado del Departamento de Ingeniería Mecánica (MNE) de CityU trabajó incansablemente con otro equipo de la Universidad de Tsinghua para desarrollar la primera técnica cuantitativa de prueba de tracción in situ del mundo para materiales 2-D independientes. Recientemente, han ampliado sus esfuerzos de investigación del grafeno monocapa al h-BN.

Usando la plataforma nanomecánica 2-D desarrollada previamente por el equipo, los investigadores realizaron con éxito la tensión de tracción cuantitativa en la monocapa independiente h-BN por primera vez (ver Figura 1). El experimento mostró que su elasticidad totalmente recuperable era de hasta 6,2% y el módulo de Young 2-D correspondiente era de aproximadamente 200 N / m.

Otro enfoque de la investigación fue explorar los efectos de los defectos naturales de h-BN sobre la integridad estructural y la robustez mecánica. El equipo descubrió que, La monocapa h-BN que contiene huecos de ~ 100 nm se puede filtrar incluso hasta un 5,8% (ver Película / GIF). Las simulaciones atomísticas y continuas mostraron que, en comparación con las imperfecciones introducidas durante la preparación de la muestra, el límite elástico de h-BN es virtualmente inmune a defectos atomísticos que ocurren naturalmente (tales como límites de grano y vacantes). Esos huecos submicrométricos no son perjudiciales, solo reduciendo el límite elástico de h-BN de ~ 6.2% a ~ 5.8%, lo que demuestra su alta tolerancia a defectos.

"Según nuestra plataforma experimental, Logramos investigar las propiedades mecánicas de otro importante material 2-D. Por primera vez, demostramos la alta rigidez y la gran deformación elástica uniforme de la monocapa h-BN. Los alentadores resultados no solo contribuyen al desarrollo de aplicaciones de h-BN en ingeniería de deformaciones, piezoelectrónica y electrónica flexible, pero también proponen una nueva forma de mejorar el rendimiento de compuestos y dispositivos 2-D. También proporcionan una herramienta poderosa para explorar las propiedades mecánicas de otros materiales 2-D, "Dijo el Dr. Lu.

Sus hallazgos fueron publicados en Informes celulares Ciencias físicas , una revista de acceso abierto de Cell Press, titulado "Gran deformación elástica y tolerancia a defectos de monocapas hexagonales de nitruro de boro".