A causa del loro fisico unico, chimico, proprietà elettriche e ottiche, i materiali bidimensionali (2-D) hanno attirato un'enorme attenzione negli ultimi decenni. Dopo aver rivelato la forza realistica e l'elasticità del grafene, soprannominato "oro nero, " I ricercatori della City University di Hong Kong (CityU) hanno portato avanti il ​​successo svelando l'elevata tolleranza ai difetti ed elasticità del nitruro di boro esagonale (h-BN), un altro materiale 2-D noto come "grafene bianco". Questo studio di follow-up promuoverà lo sviluppo futuro e le applicazioni dell'ingegneria delle deformazioni, piezoelettronica ed elettronica flessibile.

Da quando nel 2004 gli scienziati britannici hanno esfoliato per la prima volta i cristalliti spessi di un singolo atomo dalla grafite sfusa, la ricerca sui materiali 2-D ha subito rapidi progressi. Sono stati scoperti nuovi materiali 2-D, compreso nitruro di boro esagonale (h-BN), il focus di questo articolo, dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) come MoS2, e fosforo nero (BP). Quei materiali 2-D isolati con successo hanno diversi intervalli di banda (da 0 a 6 eV), e spaziano da conduttori, semiconduttori agli isolanti, che illustra il loro potenziale nelle applicazioni dei dispositivi elettronici.

La conduttività di un materiale è determinata dalle bande di energia. Quando c'è un piccolo gap energetico tra la banda di valenza e la banda di conduzione (il valore del gap di banda è vicino a 0), gli elettroni possono muoversi liberamente tra le due bande di energia, quello è un conduttore. Quando il divario tra la banda di valenza e la banda di conduzione è ampio (il valore del gap di banda è vicino a 6), gli elettroni sono intrappolati nella banda di valenza e non possono saltare liberamente, quello è un isolante. Quando il valore del gap di banda può essere controllato da un campo elettrico applicato esternamente, quello è un semiconduttore.

A volte indicato come "grafene bianco, " h-BN condivide una struttura simile con il grafene. Anche le stime teoriche delle sue proprietà meccaniche e della sua stabilità termica sono paragonabili a quelle del grafene. A causa della sua banda proibita ultra ampia di ~6 eV, h-BN può servire nell'optoelettronica o come substrato dielettrico per il grafene o altri dispositivi elettronici basati su materiali 2-D. Ma ancora più importante, il suo gap di banda potrebbe essere modificato tramite l'approccio dell'ingegneria della deformazione elastica (ESE) in cui la struttura della banda del materiale può essere significativamente sintonizzata mediante deformazione o distorsione del reticolo.

Vale la pena ricordare che h-BN può migliorare le prestazioni dei dispositivi al grafene. Simile alla struttura atomica del grafene, il monostrato h-BN ha un piccolo disadattamento reticolare e una superficie ultrapiatta, che può aumentare significativamente la densità del vettore del grafene. La densità di portanti rappresenta il numero di portanti che partecipano alla conduzione, che è uno dei fattori chiave che contribuiscono alla conduttività elettrica. Inoltre, il gap di banda ultra ampio rende h-BN un substrato dielettrico ideale per il grafene e altri dispositivi elettronici basati su materiali 2-D. non avendo centro di simmetria, si prevede che il monostrato h-BN mostri un potenziale piezoelettrico indotto sotto sollecitazioni meccaniche.

Però, queste affascinanti proprietà e applicazioni richiedono sempre deformazioni relativamente grandi e uniformi. Infatti, tutti i materiali devono avere proprietà meccaniche affidabili prima di poter essere utilizzati in dispositivi pratici.

Ecco perché i ricercatori hanno provato diversi approcci per esplorare le risposte meccaniche del grafene e di altri materiali 2-D in varie condizioni. Ancora, la maggior parte dei test utilizza la tecnica della nanoindentazione basata sulla microscopia a forza atomica (AFM), in cui la dimensione della punta del penetratore limita l'area di prova del campione, e il ceppo è altamente non uniforme.

Inoltre, la ricerca che prevede il trasferimento di campioni di materiali 2D su un substrato flessibile per introdurre l'allungamento ha dovuto affrontare alcune limitazioni. A causa della debole adesione tra i materiali 2-D e l'interfaccia del substrato, è molto difficile applicare grandi sollecitazioni sui campioni di materiali 2-D. Quindi lo stiramento a trazione di grandi pezzi di monostrato autoportante h-BN e gli effetti dei difetti naturali sulla sua robustezza meccanica rimangono in gran parte inesplorati.

Negli ultimi tre anni, il gruppo di ricerca guidato dal Dr. Lu Yang, Il Professore Associato del Dipartimento di Ingegneria Meccanica (MNE) presso CityU ha lavorato instancabilmente con un altro team della Tsinghua University per sviluppare la prima tecnica di prova di trazione quantitativa in situ al mondo per materiali 2-D indipendenti. Recentemente, hanno ampliato i loro sforzi di ricerca dal grafene monostrato all'h-BN.

Utilizzando la piattaforma nanomeccanica 2-D precedentemente sviluppata dal team, i ricercatori hanno eseguito per la prima volta con successo la deformazione a trazione quantitativa su monostrato indipendente h-BN (vedi Figura 1). L'esperimento ha mostrato che la sua elasticità completamente recuperabile era fino al 6,2% e il corrispondente modulo di Young 2-D era di circa 200 N/m.

Un altro obiettivo della ricerca era esplorare gli effetti dei difetti naturali di h-BN sull'integrità strutturale e sulla robustezza meccanica. Il team ha scoperto che, il monostrato h-BN contenente vuoti di ~100 nm può anche essere teso fino al 5,8% (vedi Movie/GIF). Le simulazioni atomistiche e continue hanno mostrato che rispetto alle imperfezioni introdotte durante la preparazione del campione, il limite elastico di h-BN è virtualmente immune da difetti atomistici naturali (come bordi di grano e vacanze). Quei vuoti sub-micrometrici non sono dannosi, riducendo solo il limite elastico di h-BN da ~6,2% a ~5,8%, che dimostra la sua elevata tolleranza ai difetti.

"Sulla base della nostra piattaforma sperimentale, siamo riusciti a studiare le proprietà meccaniche di un altro importante materiale 2-D. Per la prima volta, abbiamo dimostrato l'elevata rigidità e la grande deformazione elastica uniforme del monostrato h-BN. I risultati incoraggianti non solo contribuiscono allo sviluppo di applicazioni h-BN nell'ingegneria delle deformazioni, piezoelettronica ed elettronica flessibile, ma anche proporre un nuovo modo per migliorare le prestazioni di compositi e dispositivi 2-D. Forniscono anche un potente strumento per esplorare le proprietà meccaniche di altri materiali 2-D, " disse il dottor Lu.

I loro risultati sono stati pubblicati in Cell Report Scienze fisiche , una rivista ad accesso aperto di Cell Press, intitolato "Grande deformazione elastica e tolleranza ai difetti di monostrati esagonali di nitruro di boro".