Figure 1 :Via la plateforme d'essais nanomécaniques, il est révélé que l'élasticité entièrement récupérable du nitrure de bore hexagonal monocouche (h-BN) peut aller jusqu'à 6,2 %. Crédit :Université de la ville de Hong Kong (CityU)
En raison de leur physique unique, chimique, propriétés électriques et optiques, les matériaux bidimensionnels (2D) ont attiré une attention considérable au cours des dernières décennies. Après avoir révélé la force et l'extensibilité réalistes du graphène, surnommé « l'or noir, " des chercheurs de la City University of Hong Kong (CityU) ont poursuivi le succès en dévoilant la haute tolérance aux défauts et l'élasticité du nitrure de bore hexagonal (h-BN), un autre matériau 2-D connu sous le nom de « graphène blanc ». Cette étude de suivi favorisera le développement et les applications futurs de l'ingénierie des contraintes, piézoélectronique et électronique flexible.
Depuis que des scientifiques britanniques ont exfolié pour la première fois en 2004 des cristallites d'un seul atome d'épaisseur à partir de graphite en vrac, la recherche sur les matériaux 2D a connu des avancées rapides. De nouveaux matériaux 2-D ont été découverts, y compris le nitrure de bore hexagonal (h-BN), l'objet de cet article, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) tels que MoS2, et le phosphore noir (BP). Ces matériaux 2-D isolés avec succès ont des bandes interdites différentes (de 0 à 6 eV), et vont des conducteurs, des semi-conducteurs aux isolants, qui illustre leur potentiel dans les applications de dispositifs électroniques.
La conductivité d'un matériau est déterminée par des bandes d'énergie. Lorsqu'il existe un faible écart énergétique entre la bande de valence et la bande de conduction (la valeur de l'écart de bande est proche de 0), les électrons peuvent se déplacer librement entre les deux bandes d'énergie, c'est un conducteur. Lorsque l'écart entre la bande de valence et la bande de conduction est important (la valeur de l'écart de bande est proche de 6), les électrons sont piégés dans la bande de valence et ne peuvent pas sauter librement, c'est un isolant. Lorsque la valeur de la bande interdite peut être contrôlée par un champ électrique appliqué de l'extérieur, c'est un semi-conducteur.
Parfois appelé « graphène blanc, " h-BN partage une structure similaire avec le graphène. Les estimations théoriques de ses propriétés mécaniques et de sa stabilité thermique sont également comparables à celles du graphène. En raison de sa bande interdite ultra-large de ~6 eV, Le h-BN peut servir en optoélectronique ou en tant que substrat diélectrique pour le graphène ou d'autres composants électroniques à base de matériaux 2D. Plus important, sa bande interdite pourrait être modifiée via l'approche d'ingénierie des déformations élastiques (ESE) dans laquelle la structure de la bande de matériau peut être considérablement ajustée par la déformation ou la distorsion du réseau.
Il convient de mentionner que le h-BN peut améliorer les performances des appareils au graphène. Semblable à la structure atomique du graphène, la monocouche h-BN a un petit décalage de réseau et une surface ultra-plate, ce qui peut améliorer considérablement la densité de porteurs de graphène. La densité de porteurs représente le nombre de porteurs qui participent à la conduction, qui est l'un des facteurs clés contribuant à la conductivité électrique. En outre, la bande interdite ultra-large fait du h-BN un substrat diélectrique idéal pour le graphène et d'autres composants électroniques à base de matériaux 2D. N'ayant pas de centre de symétrie, La monocouche h-BN devrait présenter un potentiel piézoélectrique induit sous des contraintes mécaniques.
Cependant, ces propriétés et applications fascinantes nécessitent toujours des déformations relativement importantes et uniformes. En réalité, tous les matériaux doivent avoir des propriétés mécaniques fiables avant de pouvoir être utilisés dans des dispositifs pratiques.
Même avec la présence de vides de ~100 nm, La monocouche h-BN peut supporter une grande déformation élastique d'environ 5,8%. La légère diminution de la limite élastique démontre sa haute tolérance aux défauts. Crédit :Université de la ville de Hong Kong (CityU)
C'est pourquoi les chercheurs ont essayé différentes approches pour explorer les réponses mécaniques du graphène et d'autres matériaux 2D dans diverses conditions. Encore, la plupart des tests utilisent la technique de nanoindentation basée sur la microscopie à force atomique (AFM), dans lequel la taille de la pointe du pénétrateur limite la zone d'essai de l'échantillon, et la souche est hautement non uniforme.
De plus, la recherche qui implique le transfert d'échantillons de matériaux 2D sur un substrat flexible pour introduire l'étirement a rencontré certaines limites. En raison de la faible adhérence entre les matériaux 2D et l'interface du substrat, il est très difficile d'appliquer une grande contrainte sur les échantillons de matériaux 2D. Par conséquent, l'étirement en traction de gros morceaux de h-BN monocouche autoportant et les effets des défauts naturels sur sa robustesse mécanique restent largement inexplorés.
Au cours des trois dernières années, l'équipe de recherche dirigée par le Dr Lu Yang, Le professeur agrégé du Département de génie mécanique (MNE) de CityU a travaillé sans relâche avec une autre équipe de l'Université de Tsinghua pour développer la toute première technique d'essai de traction quantitative in situ au monde pour les matériaux 2D autoportants. Récemment, ils ont étendu leurs efforts de recherche du graphène monocouche au h-BN.
À l'aide de la plateforme nanomécanique 2D développée précédemment par l'équipe, pour la première fois, les chercheurs ont effectué avec succès un effort de traction quantitatif sur une monocouche h-BN autonome (voir la figure 1). L'expérience a montré que son élasticité entièrement récupérable allait jusqu'à 6,2 % et que le module d'Young 2D correspondant était d'environ 200 N/m.
Un autre objectif de la recherche était d'explorer les effets des défauts naturels du h-BN sur l'intégrité structurelle et la robustesse mécanique. L'équipe a découvert que, monocouche h-BN contenant des vides de ~ 100 nm peut même être tendu jusqu'à 5,8 % (voir Film/GIF). Les simulations atomistiques et continues ont montré que par rapport aux imperfections introduites lors de la préparation des échantillons, la limite élastique du h-BN est pratiquement insensible aux défauts atomiques naturels (tels que les joints de grains et les lacunes). Ces vides submicrométriques ne sont pas préjudiciables, réduire seulement la limite élastique du h-BN de ~6,2% à ~5,8%, ce qui démontre sa haute tolérance aux défauts.
« Sur la base de notre plateforme expérimentale, nous avons réussi à étudier les propriétés mécaniques d'un autre matériau 2D important. Pour la première fois, nous avons démontré la rigidité élevée et la grande déformation élastique uniforme de la monocouche h-BN. Les résultats encourageants contribuent non seulement au développement d'applications du h-BN en ingénierie des déformations, piézoélectronique et électronique flexible, mais aussi proposer une nouvelle façon d'améliorer les performances des composites et dispositifs 2D. Ils fournissent également un outil puissant pour explorer les propriétés mécaniques d'autres matériaux 2D, " dit le Dr Lu.
Leurs conclusions ont été publiées dans Rapports cellulaires Sciences physiques , une revue en libre accès de Cell Press, intitulé "Grande déformation élastique et tolérance aux défauts des monocouches de nitrure de bore hexagonal."
