香港城大自创纳米力学平台 实验测得石墨烯的拉伸能力及工程强度

被喻为黑色黄金的石墨烯（graphene）是目前世界上最薄的材料，只有一层碳原子，不但肉眼看不见，就连在实验室内观测实物也并不容易。最近香港城市大学（香港城大）与清华大学的研究人员藉助新开发的技术及测试平台，首次测试出单层石墨烯的拉伸强度以及弹性极限。相关结果有助科研界及石墨烯应用行业建立石墨烯的实际力学性能标准，从而有助推动这种高性能材料在柔性电子器件和工程中的应用。

团队研究结果早前于国际期刊《自然-通讯》上发表，题为〈Elastic straining of free-standing monolayer graphene〉，及后更获《科学》杂志的〈Editors’ Choice〉专栏介绍。

石墨烯因为具备多种独特的物理性质，被视为他日将可取代许多在现代科技应用的未来物料，而被喻为＂黑色黄金＂。负责带领这次研究、专门研究纳米力学的香港城大机械工程学系副教授陆洋博士说：＂石墨烯理论上集合六大卓越特性：超薄、具弹性、高强度、透明、导电以及传热，可以说是未来的理想材料。这次我们的研究集中于石墨烯的弹性和强度这两方面的实际表现。＂

石墨烯的＂强＂到底有＂多强＂?

在陆博士团队进行此研究之前，来自美国哥伦比亚大学的James Hone教授与团队，首次利用纳米压痕技术于原子力显微镜下，测得石墨烯的极限强度达到130 GPa，从而确定石墨烯是地表最强的材料。陆博士指出，该研究提供的数值是测试石墨烯某一点所能承受的局部最大压力，＂但是实际工程应用还需考虑现实中见于大面积单层石墨烯的边界和边缘瑕疵等，所以真实力学性能数值应与理论极限强度有差距＂。他认为，较直接的工程强度测试做法，应该是拉伸一块无支撑的大面积单层石墨烯，才更接近其真实承载应用的环境，例如是用于柔性电子器件或纳米复合材料。

陆博士与团队于是对石墨烯设计并展开了原位定量力学的实验。由于单层石墨烯仅为薄薄一层碳原子，陆博士坦言面对不少挑战：＂我们首先要将无支撑、大面积的石墨烯样本完整地转移到我们特制的纳米力学测试器件上。之后我们开发出样本形貌控制的技术，成功利用聚焦离子束，精准地剪裁出用作拉伸测试的高质量样本，最后将样本放在高分辨扫描电子显微镜下，作可量化拉伸测试，实时地观察变形的状况。整个克服技术挑战的过程花上我们团队三年多时间。＂他续说︰＂过程中，把生长于铜表面的单层石墨烯成功剥离，再精准地转移到测试平台上最花时间。＂

 

 

陆博士表示，转移的过程幸好得到化学系助理教授李淑惠博士的帮助，＂令我们确立了一种样本转移的新范式＂。加上陆博士与实验室团队于测试不同纳米物料力学性能上的丰富经验，他们最终克服重重实验设计的困难，完成这次史无前例的实验，＂这也是香港城大不同学系的专家共同努力的成果＂。

石墨烯力学性能不再＂纸上谈兵＂

运用上述技术和平台，团队在扫描电子显微镜的观测下，对单层石墨烯进行定量拉伸测试，测出石墨烯的实际力学性能。结果表明，通过化学气相沉积（Chemical vapor deposition, CVD）制备的高质量单层石墨烯，在循环应力应变测试中，可实现高达大约5%的完全可回复的弹性变形，其断裂应变达到约6%。同时，其对应弹性模量（Young's modulus ）为920 GPa，非常接近于理论值的约1000 GPa。而整幅样本的拉伸强度（tensile strength）则达到50至60 GPa，约为理论极限值130 GPa的一半，证明大面积单层石墨烯在实际中也确实是极强的物料。

 

 

_{石墨烯弹性拉伸的影像。（DOI : 10.1038/s41467-019-14130-0）}

陆博士表示，这些结果反映高质量CVD石墨烯不单可达＂超强＂（ultra-strength，即实际拉伸强度达理论值的十分一）水平，甚至能接近＂深层超强度＂（deep ultra-strength，即实际拉伸强度达理论值的一半）。他说：＂一种物料如果能整体达到深层超强度的状态，就可能会有意料之外的新物理特性。＂

下一步可透过弹性应变工程装置调控石墨烯

 

陆博士指出，设计应用时不能只考虑材料的理想数值，因此透过实验了解材料的实际力学性能十分重要。这次实验结果有望帮助奠定石墨烯的真实力学性能标准，团队希望可藉此推动这种高性能材料更适切地实际应用在不同领域，例如用于柔性触摸屏幕、可穿戴电子器件、太阳能电池、传感器、生物医学工程，甚至制成轻质高强度纳米复合材料，应用于航空及防卫科技等。

＂我们现时更知道了石墨烯实际上可承受极大晶格变形，就可透过弹性应变工程（elastic strain engineering）的概念，在精确调控拉伸应变的情况下，将石墨烯或其他二维物料在未来用于电子或光电子装置。＂陆博士说。

 

研究结果早前于国际期刊《自然-通讯》上发表，题为〈Elastic straining of free-standing monolayer graphene〉。陆博士和清华大学工程力学系的徐志平教授为论文的共同通讯作者。论文的共同第一作者包括香港城大机械工程学系副研究员及陆博士曾指导的博士生曹可和博士生韩英、清华大学的博士生冯诗喆。其他香港城大研究团队成员包括李淑惠博士和机械工程学系的高立波博士（现为西安电子科技大学机电工程学院副教授）。这项研究得到香港城大、香港研究资助局和国家自然科学基金的支持。

DOI number: 10.1038/s41467-019-14130-0

石墨烯开拓二维物料世界

石墨烯是世界上首种二维物料，由两位物理学家Andre Geim教授和Konstantin Novoselov教授成功由石墨剥离出来。二人研究其性质并因而获颁2010年的诺贝尔物理学奖。10年后的2020年，另外三位物理学家Pablo Jarillo-Herrero教授、Allan H. MacDonald教授、Rafi Bistritzer博士因为对双层石墨烯的理论与实验研究，获颁被视为诺贝尔奖前哨的沃尔夫奖（Wolf Prize）的物理学奖。Pablo Jarillo-Herrero教授与研究团队发现，把双层石墨烯相互扭转1.1度角（被称为魔角，magic angle）并置于1.7K（即摄氏零下271.45度）的低温之下，就可以改变石墨烯的导电性，令它变成完全没有电阻的超导材料。陆博士说：＂这显示即使是同一种材料，只需稍为改变其晶格的几何设定，也可以发现全新的特性。我们会继续研究单层及双层石墨烯的弹性应变效应，并尝试透过纳米力学方式，控制晶格的几何应变以发掘它们的新惊喜。＂

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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