清华大学刘锴、徐勇Nano Letters： 多相碲化钼在等轴拉伸下的力学性质和断裂行为

【引言】

力学性质是材料的基本性质。对于二维材料而言，了解其力学性质是实现应力调控、发展柔性电子器件的基础。以往针对二维材料力学性质的研究多是基于各向同性材料，而各向异性材料在等轴拉伸下的力学性质，特别是断裂行为则尚未被报道。MoTe₂是一种典型的二维材料，它有三种相：六方晶格的2H相是面内各向同性的，而单斜晶格的1T’相和四方晶格的T_d相是面内各向异性的。MoTe₂的三相各自具有独特的性质，又可相互转变，因此受到了学术界广泛关注，也是力学性质研究的理想材料。

【成果简介】

近日，清华大学材料学院刘锴课题组与美国天普大学Qimin Yan课题组、清华大学物理系徐勇课题组等合作，通过机械剥离法制备了三相MoTe₂样品，并通过纳米压入法测试了其弹性模量和断裂强度。研究发现，三相的弹性模量相差在15 %以内，但2H相的断裂强度比1T’及T_d相高一倍。2H相的断口是三叉形的，而1T’的断口是一字形的。研究团队通过二次谐波光谱确定了晶体取向，发现各相的断口均是沿着Mo-Mo原子链方向（zigzag方向），断口的形状反映了晶体的对称性。第一性原理计算表明，对所有三个相，沿Mo-Mo原子链方向的边界形成能最低，根据能量最低原理，该方向是首要的断裂方向；但对1T’相，原子重构引起成键强度不均匀，使得较弱的化学键被选择性的断开，其断裂强度明显低于2H相。上述理论预测与实验结果一致。这项研究成果以题为“Elastic Properties and Fracture Behaviors of Biaxially Deformed, Polymorphic MoTe₂”发表在国际著名学术期刊Nano Letters上，第一作者为清华大学材料学院博士生孙雨飞、美国天普大学Jinbo Pan博士、清华大学物理系博士生张泽涛。

【图文导读】

图1 三相MoTe₂的晶体结构和基本表征

（a）2H，1T’，T_d相MoTe₂晶体结构示意图；

（b）本实验所采用的2H和1T’-MoTe₂晶体；

（c）覆盖在多孔基底上的MoTe₂薄膜AFM图像，其厚度约为10 nm；

（d）在圆孔上的悬空MoTe₂薄膜AFM图像，其高度用白线表示；

（e）三相MoTe₂的Raman光谱，其中2H和1T’相在常温下测得，T_d相在203 K温度下测得，相较于1T’相，T_d相的A_g³峰出现分裂；

（f）1T’-MoTe₂A_g⁴峰的峰位随温度变化曲线，曲线斜率在250 K发生改变，证明出现了1T’-T_d相变，T_d相在250 K以下是稳定相；对照的Si峰峰位随温度呈线性变化。

图2 纳米压入实验原理及结果

（a）纳米压入实验原理示意图，其中δ是样品中心处压入深度；

（b）不同条件（样品、探针、最大压力）下受力(F)和压入深度(δ)曲线，根据F-δ曲线可以拟合出被测薄膜的弹性模量和断裂强度；

(c-e) 2H，1T’，T_d相MoTe₂弹性模量分布图及正态拟合曲线；

(f) 1T’-MoTe₂弹性模量随温度的变化，在250 K发生的1T’-T_d相变使得其模量发生细微改变。

图3 块体MoTe₂弹性模量的DFT计算

(a-c) 三相MoTe₂沿着x轴（armchair）和y轴（zigzag）拉伸时，弹性能等高分布图；

(d, e) 2H和1T’ MoTe₂沿x轴和y轴拉伸时各自的弹性能增加-应变曲线。

图4 三相MoTe₂的断裂行为

(a) 2H-MoTe₂的断口呈现三叉形；

(b) 2H-MoTe₂的二次谐波光谱（SHG）强度随角度变化蛛网图，根据此图可以确定晶体取向；

(c) 2H-MoTe₂薄膜的AFM 图像，其晶体取向以示意图形式插在其中；

(d, e) 1T’-MoTe₂的断口呈现一字形或者T字形；

(f) 1T’-MoTe₂的SHG强度随角度变化蛛网图；

(g) 1T’-MoTe₂薄膜的AFM 图像及其晶体取向示意图。

本实验首先制备出2H和1T’ MoTe₂样品，然后通过纳米压入测试分别获得其断口形貌，最后利用SHG确定了其晶体取向。图中蓝色和绿色箭头分别代表2H-MoTe₂和1T’-MoTe₂的Mo-Mo zigzag方向。实验发现，无论是2H还是1T’相，其断口方向恰好平行于Mo-Mo zigzag方向，样品的一些平直边缘也恰好平行于Mo-Mo zigzag方向。

图5 单层MoTe₂界面形成能的DFT计算

(a, b) 2H和1T’ MoTe₂晶体结构，其中红色和蓝色化学键断裂时，将分别形成zigzag和armchair边界；

(c, d) 沿armchair和zigzag方向断裂，每单位长度边界形成能。无论是2H还是1T’ MoTe₂，沿着zigzag方向的边界形成能都更低，证明断裂更倾向于沿zigzag方向进行，与实验结果一致。对于1T’相，原子重构引起成键强度不均匀，使得较弱的化学键被选择性断开，其断裂强度明显低于2H相。

表1 各相MoTe₂不同样品的力学性质。其中，二维模量E^2D和强度σ₀^2D是由纳米压入实验直接测得的，而三维模量E^3D和强度σ₀^3D是用二维数值除以样品厚度得到的。

【小结】

本文研究了多相MoTe₂薄层的弹性模量、断裂强度和断口形状，而且结合理论计算探讨了各向异性材料在等轴拉伸下的力学行为。本文系统报道了基于纳米压入法测试各向异性二维材料在等轴拉伸下的力学行为，为研究其他各种二维材料的力学性质和断裂行为提供了普适性参考。

文章链接：https://pubs.acs.org/articlesonrequest/AOR-RmnXFhqzhUkwHg7rS2xc

本文由清华大学材料学院刘锴课题组供稿，材料人编辑部编辑。

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