Nature communication–单层二维材料的弹性及拉伸强度
作者:瑞科和利 2024.08.07 点击52次
MXenes(二维过渡金属碳化物和氮化物)是一类自2011年被发现以来就引起广泛关注的二维材料。它们具有优异的金属导电性、亲水性、分散稳定性和柔韧性。这些特性使得MXenes在柔性电子、超级电容器、催化剂、传感器、航空航天以及微纳电子机械系统等领域展现出广泛的应用潜力。尽管MXenes的物理和化学性质已经被广泛研究,但关于它们的力学性质,尤其是单层MXene的弹性特性和拉伸强度的研究却相对有限。这是因为单层MXene的纳米级厚度给实验测量带来了极大的挑战。以往的研究多集中在多层MXene薄膜的力学性质上,但这些研究结果并不能准确反映单层MXene的真实力学性能。此外 MXenes在实际应用中可能经历的拉伸、弯曲和扭转过程,也可能导致性能下降。 尽管理论预测二维Ti3C2Tx的杨氏模量高达0.502 TPa,但由于测量难度,这一理论值尚未得到实验验证。此外,先前使用原子力显微镜(AFM)纳米压痕法测量得到的杨氏模量(约330GPa)与理论值存在显著差异。因此研究者需要一种更可靠、直接和定量的方法来测量单层Ti3C2Tx纳米片的力学性质。因此,本研究针对单层Ti3C2Tx MXene纳米片的力学性质进行深入研究,以期准确测量其弹性模量和拉伸强度,并通过实验和分子动力学模拟验证理论预测。这项研究不仅能够为MXene材料在高性能应用中的结构稳定性和性能改进提供关键信息,而且还能推动对其他二维材料力学性质的深入理解。 图1 单层Ti3C2Tx纳米片的结构和转移过程。 a. Ti3C2Tx单层结构;b. 单层Ti3C2Tx转移过程。 图1描述了单层Ti3C2Tx纳米片成功转移到PTP(Push-to-Pull)装置上的关键步骤,这是进行原位纳米力学测试的重要环节。为此,研究人员开发了一种独特的干转移方法,具体步骤如下: a.制备Ti3C2Tx悬浮液:首先,制备好的单层Ti3C2Tx悬浮液滴在没有碳膜的400目铜网上,然后进行真空干燥。 b.铜网上的附着:干燥后,单层纳米片附着在铜网的边缘,这大大方便了后续的转移过程。如果悬浮液在平坦载体上干燥,由于范德华力的作用,纳米片将难以转移。 c.纳米片的固定:随后,纳米片的一侧通过电子束沉积的铂(Pt)粘附到机械探头上,而纳米片的其他三侧则通过以镓为源的聚焦离子束(FIB)切割,以移动纳米片。 d.转移至PTP装置:得到的纳米片被转移到PTP微装置中间的2.5微米拉伸区域。由于其单层特性,悬挂在纳米力学装置上的Ti3C2Tx纳米片几乎是透明的。 e.FIB切割分离:最后,通过FIB切割,将操纵器与Ti3C2Tx纳米片进行切割和分离。 这种干转移方法的改进,使得单层Ti3C2Tx纳米片能够成功且高效地转移到PTP装置上,为后续的力学性能测试打下了基础。通过这种方法,研究人员能够确保纳米片在整个转移过程中保持完整,从而获得准确的测试结果。 图2 单层Ti3C2Tx纳米片的测试和表征步骤。 图2描述了单层Ti3C2Tx纳米片在PTP(Push-to-Pull)纳米力学装置上的固定和形状调整过程,以及随后进行的拉伸测试: a.SEM图像展示:通过扫描电子显微镜(SEM)图像(图2a),可以看到单层Ti3C2Tx纳米片的两端通过电子束沉积的铂(Pt)固定在PTP纳米力学装置上。 b.FIB加工:悬浮在间隙上方的纳米片通过聚焦离子束(FIB)铣削加工成拉伸测试所需的特定形状和尺寸。 c.拉伸测试过程:在测试过程中,使用探针对半球形压头(由红色箭头指示)施加推力。PTP微装置通过“推拉”机制将推力转换为作用在Ti3C2Tx上的平面拉伸力,加载速率为10纳米/秒。 d.载荷值计算:载荷值可以通过平面探针中静电梳驱动器的转换值来计算,同时记录了载荷-位移数据。 e.FIB加工后的SEM图像:图2b展示了FIB加工后的单层Ti3C2Tx纳米片的SEM图像。Ti3C2Tx的宽度和长度分别为5微米和2.5微米,相应的橙色箭头方向表示样品的拉伸方向。 这个过程确保了Ti3C2Tx纳米片可以被精确地测试其力学性能,包括其弹性模量和拉伸强度。通过这种设置,研究人员能够模拟实际应用中MXene材料可能遇到的力学条件,并测量其响应。 图3 单层Ti3C2Tx纳米片拉伸测试及模量比较。 这些详细的实验步骤和分析结果为理解单层Ti3C2Tx纳米片的力学行为提供了重要信息,并为进一步的应用开发提供了科学依据。 表1 单层Ti3C2Tx纳米片力学行为比较 本研究通过原位PTP设备测量了单层Ti3C2Tx纳米片的杨氏模量,并与其他二维材料进行了比较。实验中测量得到的单层Ti3C2Tx的杨氏模量约为484GPa,与分子动力学(MD)模拟预测的理论值502 GPa非常接近。该结果远高于先前其它方法的测量值(约330GPa)。因此可以采用本方法重新确定单层Ti3C2Tx纳米片的机械性能。与其它通过类似PTP方法进行原位拉伸实验测量的单层2D材料的机械性能相比,Ti3C2Tx MXene的有效杨氏模量高于MoSe2的平均值,但低于石墨烯。因此,Ti3C2Tx Mxene可以作为微/纳电子机械系统(MEMS/NEMS)的候选材料。这些系统要求具有高机械强度。本材料还可以作为复合材料中的增强材料,作为石墨烯等二维材料的潜在替代品。 本研究还获得了Ti3C2Tx MXene材料的工程弹性应变和其在应变工程中的潜在应用。Ti3C2Tx MXene具有约3.2%的有效工程弹性应变,并表现出脆性断裂。这种弹性应变为MXene在应变工程中的应用提供了巨大的可能性。比如,拉伸应变会导致钛-钛键长增加,内部应力会使钛原子的d带中心更接近费米能级,为Ti3C2Tx纳米片提供丰富的活性位点,这将增强反应物/中间体的吸附,加速催化效应。3.2%的弹性应变足以赋予Ti3C2Tx材料出色的力电化学耦合特性。这些特性可以通过机械和化学方式产生,以改变材料的结构,调整其电子结构和化学性质。这些特性还可以为Ti3C2Tx在能量存储领域的众多应用提供了可能性,例如通过机械化学方法调控材料结构,从而优化其在超级电容器和电池中的性能。通过施加应变和电场还可以使Ti3C2Tx MXene具有在可调带隙电场的光学纳米器件中有潜在应用。此外,Ti3C2Tx MXene的弹性特性使其适用于柔性机器人皮肤、结构复合膜、防护涂层和传感领域的应用。 本研究使用的纳米压痕仪是布鲁克纳米表面与计量部的设备。除了纳米压痕仪外,布鲁克纳米表面部还有原子力显微镜、摩擦磨损测试仪及白光干涉显微镜等。这些设备能全面表征样品表面及涂层的表面特性。更重要的是,这些设备具有高通量测试功能,和广泛的定制扩展能力,适合进行各种二次开放工作。 本文来自:瑞科和利 | 产品分类
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