Représentation schématique de la propagation des fissures dans le MoS2 2-D au niveau atomique. Les dislocations indiquées par des points rouges et violets sont visibles dans la zone de pointe de fissure. Les contraintes de traction internes sont représentées par des flèches rouges. Crédit :IBS
Nous connaissons les fissures dans les grands ou petits objets tridimensionnels (3D), mais comment faire mince, les matériaux bidimensionnels (2-D) se fissurent ? Matériaux 2-D comme le bisulfure de molybdène (MoS2), ont émergé comme un atout important pour les futurs dispositifs électroniques et photoélectriques. Cependant, les propriétés mécaniques des matériaux 2D devraient être très différentes de celles des matériaux 3D. Des scientifiques de l'Institute for Basic Science (IBS) ont publié la première observation de la fissuration 2-D MoS2 au niveau atomique dans Communication Nature . Cette étude devrait contribuer aux applications de nouveaux matériaux 2D.
Lorsqu'une certaine force est appliquée à un matériau, une fissure se forme. Moins évident est de savoir comment expliquer et prédire la forme et la gravité d'une fissure d'un point de vue physique. Les scientifiques veulent étudier quelles fractures sont susceptibles de s'étendre et lesquelles ne le sont pas. Les matériaux sont qualifiés de ductiles ou cassants :Matériaux ductiles, comme l'or, résister à de grandes contraintes avant de se rompre ; matériaux cassants, comme le verre, peut absorber relativement peu d'énergie sans allongement ni déformation avant de se rompre brutalement. Au niveau nano, les atomes se déplacent plus librement dans les matériaux ductiles que dans les matériaux fragiles; ainsi en présence d'une force de traction (contrainte de traction) ils peuvent sortir de la structure cristalline ordonnée; en termes techniques, ils se disloquent. Jusque là, cette explication (le modèle de Griffith) a été appliquée aux phénomènes de fissuration en vrac, mais il manque de données expérimentales à l'échelle atomique ou nanométrique.
Dans cette étude, Les scientifiques d'IBS ont observé comment les fissures se propagent dans le MoS2 2-D après qu'un pore se soit formé soit spontanément, soit avec un faisceau d'électrons. "Le point le plus difficile {des expériences} était d'utiliser le faisceau d'électrons pour créer le pore sans générer d'autres défauts ni casser l'échantillon, " explique Thuc Hue Ly, premier auteur de cette étude. "Nous devions donc être rapides et utiliser un minimum d'énergie."
Images de microscopie électronique à transmission de la fissure en progression sur un échantillon de MoS2 monocouche après 10, 25 et 40 secondes. Le T indique la position des dislocations atomiques. Crédit :IBS
Les observations atomiques ont été faites en utilisant la microscopie électronique à transmission en temps réel. Étonnamment, même si le MoS2 est un matériau cassant, l'équipe a vu des dislocations d'atomes à trois à cinq nanomètres (nm) de la ligne de front de la fissure, ou pointe de fissure. Cette observation ne peut pas être expliquée avec le modèle de Griffith.
Afin de créer des conditions qui représentent l'environnement naturel, l'échantillon a été exposé à une lumière ultraviolette (UV). Cela a provoqué l'oxydation du MoS2; les dislocations atomiques se sont produites plus rapidement et la région étirée s'est étendue à 5 à 10 nm du fond de fissure.
"L'étude montre que la fissuration dans les matériaux 2-D est fondamentalement différente de la fissuration dans les matériaux 3-D ductiles et cassants. Ces résultats ne peuvent pas être expliqués avec la théorie conventionnelle de la rupture des matériaux, et nous suggérons qu'une nouvelle théorie est nécessaire, " a expliqué le professeur LEE Young Hee (CINAP).