浙大:极限机械减薄法！制备单质金属二维材料
近日，浙江大学张泽院士、王研究员课题组与美国佐治亚理工学院教授、中科院金属所杜奎研究员等合作，基于材料塑性变形的一般特性，提出了一种“自上而下”的机械减薄方法来制备单元素金属二维材料，并通过原位机械拉伸Au双晶/多晶纳米结构成功获得了单原子厚度的Au薄膜。相关研究成果发表在ACS nano上，标题为“极端机械减薄产生的自支撑二维金薄膜”。
纸质链接:
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c06697
在材料的塑性变形过程中，缺陷和界面处容易发生应变集中或应变局部化。在微纳米尺度上，这种应变局部化会促进材料的快速局部颈缩，导致机械减薄。基于这种变形特征，研究人员设计了各种金双晶/多晶纳米结构。在无衬底、无合金化、无化学处理的条件下，只有通过塑性变形才能显著实现晶界处的机械减薄，诱导二维Au膜优先在晶界形核，然后晶核通过膜/衬底界面的逐渐扩展不断长大(图1)。微结构分析和理论模型表明，这种二维Au薄膜具有简单的六方结构(图2)。
图1。应力诱导2D-金薄膜的(a-f)成核、生长和断裂过程。(g-j)原子尺度下2D-金薄膜的界面生长过程。示意图。
图二。2D-金薄膜的简单六方原子结构。界面位错协调了SH薄膜与面心立方衬底界面上的晶格失配和取向差。
原位高分辨率表征进一步阐明了二维Au薄膜在原子尺度上成核和生长的动力学机制。结果表明，应力驱动的缺陷演化过程，包括界面位错的滑移和爬升以及界面原子的扩散和迁移，是二维Au薄膜形成的关键机制(图3)。大量试验表明，金属纳米结构中的晶格缺陷，如晶界、孪晶界、位错和裂纹等，可以作为二维金属薄膜的优先成核位置。通过上述机理，我们成功地实现了各种二维金属薄膜(如Pt、Ag等)的机械制备。)室温下。
图3。(a-d)应力诱导的2D-金薄膜从* * *晶格孪晶界(ITB)成核，然后生长。(e-I)2D-金薄膜随着界面位错的滑移和爬升而快速生长。(j)2D-金薄膜和衬底界面上的原子结构。
无应力和高剂量电子辐照下的对照实验表明，电子束辐照在二维Au薄膜的制备中起着相对有限的辅助作用。电子束辐照可以在一定程度上激活有限的位错运动，促进原子/空位在薄膜或界面的扩散和迁移，从而促进二维Au薄膜的形成和生长(图4)，但只有在电子束剂量较高时才会产生显著影响。尽管如此，电子束辐照也提供了一种制备单元素金属二维材料的有效方法。
图4。电子束辐照有助于2D-金薄膜的制备，激活有限的位错运动，促进薄膜表面原子/空位的扩散和迁移。
结合机械手段和缺陷工程学成功制备的二维金属薄膜为“自顶向下”法制备其他类型的二维材料提供了新的启示。本文的研究成果得到了国家自然科学基金的资助。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。