清华大学Nanotechnology：揭示二维多晶氧化铅纳米片杨氏模量厚度依附性的力学公式

研究背景

α-PbO是一种具有高化学稳定性和热力学稳定性的IV族氧化物，具有二维层状结构。除了传统工业化用途，近年来在α-PbO理论计算领域研究表明其在以下几个方面具有潜在的应用前景：不仅可以作为非线性光学元件，而且在光伏器件领域将发挥重要作用；同时，α-PbO纳米片价带边范霍夫奇异性可能使得其具有优异的铁磁性和超导电性。然而，具有规则形态、较大尺寸的高质量α-PbO纳米片目前鲜有报道，其可控合成仍是一个重大挑战，这严重阻碍了其进一步实验研究。同时，作为未来具有极大发展潜力的器件组分，对其机械性能研究必不可少，然而目前α-PbO纳米片的力学性能研究仍为空白。

成果简介

近日，清华大学化学系教授曹化强团队和清华大学机械工程系副教授解国新团队（共同通讯作者）合作，通过构建两相界面溶剂热技术，实现了具有不同厚度的大尺寸多晶α-PbO纳米片的制备。同时，通过微机械原子力显微镜探针纳米压痕技术，对α-PbO纳米片机械性能进行研究。不仅发现厚度为3.74nm的多晶α-PbO纳米片具有288.0 ± 37.1 GPa超高杨氏模量值，同时，进一步选择对不同厚度（3.74 nm-27.54 nm）的多晶α-PbO纳米片进行力学性能探索，发现多晶α-PbO纳米片的杨氏模量具有厚度定量的依附性规律，提出了相应的力学公式E=E₀ +K·t^-1，其中E为多晶α-PbO纳米片的杨氏模量，E₀ = 24.0 GPa（块状单晶PbO杨氏模量值），K=865.7 GPa·nm（厚度系数），t为晶α-PbO纳米片的厚度（nm）。同时，作者通过理论计算，从理论上验证了实验探究出来的杨氏模量厚度依附性关系的正确性，同时还对材料的多晶结构相对于单晶结构所呈现的力学增强效应给予了解释。这种杨氏模量随厚度增加而减小的关系被归因于其较弱的层间结合力，该公式的建立将有望拓展应用至其他同样具有弱层间结合力的二维材料中。

该工作近期以 “Thickness-dependent Young’s modulus of polycrystalline α-PbO nanosheets”为题发表在英国物理学会出版社杂志《纳米技术》（Nanotechnology）上。相关工作得到国家重点研发计划和973项目资助。

图文导读

图一 多晶α-PbO纳米片的结构表征

图二 多晶α-PbO纳米片合成过程及机理

图三 多晶α-PbO纳米片的力学性能测试

图四 单晶α-PbO纳米片的力学性能理论计算

文章链接

Wang C., Wu, S., Yang, X., Yan, Z., Xie, G., Zhang, S., Wang, J., Cao, H. Thickness-dependent young's modulus of polycrystalline α-PbO nanosheets. Nanotechnology, 31, 395712 (2020). https://doi.org/ 10.1088/1361-6528/ab9577

网址链接

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/ab9577

本文由作者团队供稿。