清華大學劉鍇、徐勇Nano Letters： 多相碲化鉬在等軸拉伸下的力學性質和斷裂行為

【引言】

力學性質是材料的基本性質。對于二維材料而言，了解其力學性質是實現應力調控、發展柔性電子器件的基礎。以往針對二維材料力學性質的研究多是基于各向同性材料，而各向異性材料在等軸拉伸下的力學性質，特別是斷裂行為則尚未被報道。MoTe₂是一種典型的二維材料，它有三種相：六方晶格的2H相是面內各向同性的，而單斜晶格的1T’相和四方晶格的T_d相是面內各向異性的。MoTe₂的三相各自具有獨特的性質，又可相互轉變，因此受到了學術界廣泛關注，也是力學性質研究的理想材料。

【成果簡介】

近日，清華大學材料學院劉鍇課題組與美國天普大學Qimin Yan課題組、清華大學物理系徐勇課題組等合作，通過機械剝離法制備了三相MoTe₂樣品，并通過納米壓入法測試了其彈性模量和斷裂強度。研究發現，三相的彈性模量相差在15 %以內，但2H相的斷裂強度比1T’及T_d相高一倍。2H相的斷口是三叉形的，而1T’的斷口是一字形的。研究團隊通過二次諧波光譜確定了晶體取向，發現各相的斷口均是沿著Mo-Mo原子鏈方向（zigzag方向），斷口的形狀反映了晶體的對稱性。第一性原理計算表明，對所有三個相，沿Mo-Mo原子鏈方向的邊界形成能最低，根據能量最低原理，該方向是首要的斷裂方向；但對1T’相，原子重構引起成鍵強度不均勻，使得較弱的化學鍵被選擇性的斷開，其斷裂強度明顯低于2H相。上述理論預測與實驗結果一致。這項研究成果以題為“Elastic Properties and Fracture Behaviors of Biaxially Deformed, Polymorphic MoTe₂”發表在國際著名學術期刊Nano Letters上，第一作者為清華大學材料學院博士生孫雨飛、美國天普大學Jinbo Pan博士、清華大學物理系博士生張澤濤。

【圖文導讀】

圖1?三相MoTe₂的晶體結構和基本表征

（a）2H，1T’，T_d相MoTe₂晶體結構示意圖；

（b）本實驗所采用的2H和1T’-MoTe₂晶體；

（c）覆蓋在多孔基底上的MoTe₂薄膜AFM圖像，其厚度約為10 nm；

（d）在圓孔上的懸空MoTe₂薄膜AFM圖像，其高度用白線表示；

（e）三相MoTe₂的Raman光譜，其中2H和1T’相在常溫下測得，T_d相在203 K溫度下測得，相較于1T’相，T_d相的A_g³峰出現分裂；

（f）1T’-MoTe₂?A_g⁴峰的峰位隨溫度變化曲線，曲線斜率在250 K發生改變，證明出現了1T’-T_d相變，T_d相在250?K以下是穩定相；對照的Si峰峰位隨溫度呈線性變化。?

圖2?納米壓入實驗原理及結果

（a）納米壓入實驗原理示意圖，其中δ是樣品中心處壓入深度；

（b）不同條件（樣品、探針、最大壓力）下受力(F)和壓入深度(δ)曲線，根據F-δ曲線可以擬合出被測薄膜的彈性模量和斷裂強度；

(c-e) 2H，1T’，T_d相MoTe₂彈性模量分布圖及正態擬合曲線；

(f) 1T’-MoTe₂彈性模量隨溫度的變化，在250?K發生的1T’-T_d相變使得其模量發生細微改變。

圖3?塊體MoTe₂彈性模量的DFT計算

(a-c) 三相MoTe₂沿著x軸（armchair）和y軸（zigzag）拉伸時，彈性能等高分布圖；

(d, e) 2H和1T’ MoTe₂沿x軸和y軸拉伸時各自的彈性能增加-應變曲線。

圖4?三相MoTe₂的斷裂行為

(a) 2H-MoTe₂的斷口呈現三叉形；

(b) 2H-MoTe₂的二次諧波光譜（SHG）強度隨角度變化蛛網圖，根據此圖可以確定晶體取向；

(c) 2H-MoTe₂?薄膜的AFM 圖像，其晶體取向以示意圖形式插在其中；

(d, e) 1T’-MoTe₂的斷口呈現一字形或者T字形；

(f) 1T’-MoTe₂的SHG強度隨角度變化蛛網圖；

(g) 1T’-MoTe₂薄膜的AFM 圖像及其晶體取向示意圖。

本實驗首先制備出2H和1T’ MoTe₂樣品，然后通過納米壓入測試分別獲得其斷口形貌，最后利用SHG確定了其晶體取向。圖中藍色和綠色箭頭分別代表2H-MoTe₂和1T’-MoTe₂的Mo-Mo?zigzag方向。實驗發現，無論是2H還是1T’相，其斷口方向恰好平行于Mo-Mo?zigzag方向，樣品的一些平直邊緣也恰好平行于Mo-Mo?zigzag方向。

圖5 單層MoTe₂界面形成能的DFT計算

(a, b)?2H和1T’ MoTe₂晶體結構，其中紅色和藍色化學鍵斷裂時，將分別形成zigzag和armchair邊界；

(c, d)?沿armchair和zigzag方向斷裂，每單位長度邊界形成能。無論是2H還是1T’ MoTe₂，沿著zigzag方向的邊界形成能都更低，證明斷裂更傾向于沿zigzag方向進行，與實驗結果一致。對于1T’相，原子重構引起成鍵強度不均勻，使得較弱的化學鍵被選擇性斷開，其斷裂強度明顯低于2H相。

表1?各相MoTe₂不同樣品的力學性質。其中，二維模量E^2D和強度σ₀^2D是由納米壓入實驗直接測得的，而三維模量E^3D和強度σ₀^3D是用二維數值除以樣品厚度得到的。

【小結】

本文研究了多相MoTe₂薄層的彈性模量、斷裂強度和斷口形狀，而且結合理論計算探討了各向異性材料在等軸拉伸下的力學行為。本文系統報道了基于納米壓入法測試各向異性二維材料在等軸拉伸下的力學行為，為研究其他各種二維材料的力學性質和斷裂行為提供了普適性參考。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/articlesonrequest/AOR-RmnXFhqzhUkwHg7rS2xc

本文由清華大學材料學院劉鍇課題組供稿，材料人編輯部編輯。

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