大事不好：二维材料其实很“脆弱”

欧洲足球赛事 注：以石墨烯为代表的二维晶体材料由于特殊的结构和性能，曾被预言会掀起颠覆性的技术革命。但是近日研究人员在研究二硒化钼时发现，即使是小如原子空位般的缺陷也足以导致碎裂。

美国莱斯大学材料科学家Jun Lou领导的研究小组在测试二维半导体材料二硒化钼（MoSe₂）的抗拉强度时发现，即使是小如一个原子空位的缺陷，在拉力下都会引发灾难性的破裂。

这一发现可能导致企业在应用二维材料之前，更为谨慎地测试二维材料的性能。Jun Lou介绍道：“研究表明不是所有的二维晶体都具有高强度，我们目前研究的二维材料如二硒化钼远不如石墨烯坚强。我们认为这是二硒化钼的固有缺陷导致的，缺陷可能小至一个原子空位，非常难以检测。即使是很多空位缔合起来，也很难发现。也许有可能用透射电子显微镜看到，但是那样太耗费人力物力。”

二硒化钼是过渡族金属二硫化物中极具代表性的物质之一，是一种二维的半导体材料，像石墨烯一样属于六方晶系，具有类似于三明治的片层状结构，硫族元素——硒原子夹在两层金属原子之间。二硒化钼被认为在晶体管、下一代太阳能电池、光电探测器、催化剂以及电子和光学设备等领域具有极大潜力。

Jun Lou和他的同事测量了二硒化钼的弹性模量，测试结果为177.2(±9.3)GPa。石墨烯的弹性模量是二硒化钼的五倍以上。研究团队认为这种大幅度的变动是因为二硒化钼本身存在3.6-77.5纳米的缺陷。二硒化钼的断裂强度测量结果为4.8(±2.9)GPa。石墨烯的断裂强度是它的25倍左右。

该项目的一部分由莱斯大学博士后研究员Yingchao Yang负责，需要将二硒化钼从化学气相沉积炉的反应室中取出然后转移到显微镜下，并且不能再引入缺陷。Yingchao Yang用干法转移代替传统的易损坏试样的酸洗过程解决了这个问题。在对二硒化钼样本进行测试时，Yingchao Yang将矩形的二硒化钼试样放在Jun Lou团队设计的一个非常敏感的电子显微镜平台上。范德华力会使二硒化钼样本吸附在弹性悬臂上，测出抗拉强度。Jun Lou团队试图测出二硒化钼材料的断裂韧性，就像早期研究石墨烯时做的那样。但是他们发现二硒化钼材料本身带有的缺陷会导致材料在达到抗拉强度之前就像玻璃一样迅速破裂。

Jun Lou表示：“这项工作的的一个重要发现就是二维材料的先天脆性。很多人认为二维材料有很大的使用潜力，因为二维材料特别薄。而且二维材料是半导体并且理论上有很高的弹性强度，尤其适合制作柔性电子材料。经过我们的计算，二硒化钼的延伸率可达到10%。但是实际上，由于材料固有的缺陷，并不能达到10%。到目前为止我们测试的样品大多数在延伸率为2% - 3%时就发生断裂。除非我们能够找到杜绝二维材料缺陷的方法，否则很难让二维材料达到理论的强度。”

原文链接：2-D material a brittle surprise。

本文由材料人编辑部杨树提供素材，孟令晓编译，点我加入材料人编辑部。

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