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晶界缺陷影響石墨烯強度

2012/09/09 | | 標籤:

美國與中國科學家首度釐清石墨烯(graphene)中的晶界缺陷(grain boundary defect)如何影響其機械性質。根據該團隊的研究,石墨烯材料最脆弱之處位於六角環與七角環間的鍵結。此結果將有助於設計製作可供電子元件使用的高強度和高效能石墨烯薄膜。

石墨烯是單原子厚的平面碳材料,具有sp2混成軌域及蜂巢狀晶格結構。完美無缺陷的石墨烯是世上最強韌的材料,不過目前能合成出可應用的大面積石墨烯片技術,往往都會在材料中產生晶界缺陷。對於如差排(dislocation)或晶界缺陷等如何影響多晶塊材的強度,科學家已經有諸多瞭解,然而這些缺陷如何與石墨烯之類的平面材料的產生交互作用,或對其機械性質造成何種影響,仍鮮少有相關研究。

上述美中聯合團隊是由麻省理工學院(MIT)的Mildred Dresselhaus所領導,包含中國科學院的Yujie Wei及科羅拉多大學的Ronggui Yang等人,他們在研究中採用了多尺度分析法(multiscale analysis approach)、量子力學密度泛函理論(quantum-mechanical-based density functional theory)、分子動力模擬(molecular dynamics simulation)及連續體計算(continuum mechanics calculation)。

研究人員首先探討石墨烯片交界處的傾斜晶界(tilt grain boundary)如何影響材料的整體強度。他們在矩形單晶石墨烯片上裁剪出一V型凹槽,然後將此缺口兩側接合以形成傾斜晶界。這些傾斜晶界對稱於晶粒邊界線,其傾斜角度則等於V型開口的張角。從原子觀點來看,石墨烯內的傾斜晶界通常由五角-七角環所造成。

實驗結果顯示,晶界強度可隨傾斜角增強或減弱。當石墨烯內的五角-七角環均勻分佈時,晶界強度隨著傾斜角的平方值而增加。研究人員同時發現,石墨烯中的機械失效(mechanical failure)總是發生在六角-七角環的鍵結處。Yang表示,設計製作材料時無可避免會產生缺陷,而二維材料又日漸受矚目,因此他們的研究有助於更加瞭解這些材料的強度,這對於設計高強度的可伸張石墨烯膜而言相當重要,應用範圍涵蓋生物、能源及電子產品等。

該研究團隊目前正著手研究這些缺陷如何影響石墨烯的電學及熱學性質。詳見Nature Materials|DOI:10.1038/nmat3370。

譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:蔡雅芝
資料來源:Grain boundary defects affect graphene’s strength. nanotechweb [Aug 10, 2012]

轉載自 奈米科學網 [2012/08/31]

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