Small:成也萧何,败也萧何——原子尺度下看晶界断裂

晶界能显著影响材料的机械性能。人们对不同材料中晶界的平均力学行为积累了丰富的经验。例如,在塑性的金属中,晶界可有效阻断位错的迁移,起到力学增强的效果,而在脆性的陶瓷中,晶界却常因较大的局域内应变而成为整个材料的力学“短板”。然而,要想在原子尺度直接建立不同晶界结构与断裂力学性质的准确映射关系却极具挑战。这一方面因为晶界在材料中占比极小,难以定位并准确在晶界处制造断裂,另一方面,要在原子分辨率下“看清”和“跟住”断裂的进展对于测试手段也提出了较高要求。

国防科技大学王珊珊副研究员、韩国蔚山大学丁峰教授、北京大学张锦院士团队近日通过化学气相沉积法合成出小晶粒尺寸的多晶单层ReS2二维材料,利用ReS2低晶格对称性带来的丰富晶界结构和多晶样品中较高的晶界分布比例,实现了大数量、多样化晶界的获取。随后,运用埃米分辨的球差校正扫描透射电子显微术,在晶界处原位局域诱导断裂并在原子尺度清晰观测了多种不同结构晶界的断裂行为。最后,运用密度泛函理论计算,揭示了不同晶界处断裂性质差异的内在原因。加深了对材料“晶界工程”的理解。

研究表明,单层ReS2普遍表现出脆性断裂的特点,断裂尖端原子级尖锐,断口光滑。有趣的是,不同于人们之前认为的——“脆性材料中的晶界普遍是力学短板,我们发现脆性单层ReS2中不同晶界的断裂力学行为截然不同,其力学强度与晶粒中Re链取向与晶界走向之间的几何关系密切相关。当Re链取向与晶界方向平行时,晶界脆弱,诱导脆性沿晶断裂,当两者不平行时,晶界的强度和韧性显著增强,甚至可接近或超越单晶中力学性质最优的取向,因而表现出对裂纹的阻断、捕获和散射效果(图1)。当断裂在晶界富集的区域扩展时,会自发选择力学强度薄弱的晶界行走,而规避接触高强度晶界,实现能量耗散的最优解。

图1. 单层多晶ReS2沿晶发生脆性断裂的STEM图和DFT计算。

该工作揭示了低对称性二维晶体中不同结构晶界的断裂力学行为,修正了在同种材料中晶界对力学性质影响的笼统结论,构筑起晶界原子级结构与机械性质的精确映射关系。该发现不仅为二维材料在柔性器件中的应用奠定了力学基础,也为通过“晶界工程”实现材料的增强增韧或可控剪裁提供了更精确的设计思路。

国防科技大学张辉,北京大学于悦和上海大学代新月为论文的共同第一作者。

论文信息:

Probing Atomic-Scale Fracture of Grain Boundaries in Low-symmetry 2D Materials

Hui Zhang, Yue Yu, Xinyue Dai, Jinshan Yu, Hua Xu, Shanshan Wang*, Feng Ding*, Jin Zhang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202102739

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202102739