近日，浙江大學張澤院士、王研究員課題組與美國佐治亞理工學院教授、中科院金屬所杜奎研究員等合作，基於材料塑性變形的壹般特性，提出了壹種“自上而下”的機械減薄方法來制備單元素金屬二維材料，並通過原位機械拉伸Au雙晶/多晶納米結構成功獲得了單原子厚度的Au薄膜。相關研究成果發表在ACS nano上，標題為“極端機械減薄產生的自支撐二維金薄膜”。
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https://doi.org/10.1021/acsnano.0c06697
在材料的塑性變形過程中，缺陷和界面處容易發生應變集中或應變局部化。在微納米尺度上，這種應變局部化會促進材料的快速局部頸縮，導致機械減薄。基於這種變形特征，研究人員設計了各種金雙晶/多晶納米結構。在無襯底、無合金化、無化學處理的條件下，只有通過塑性變形才能顯著實現晶界處的機械減薄，誘導二維Au膜優先在晶界形核，然後晶核通過膜/襯底界面的逐漸擴展不斷長大(圖1)。微結構分析和理論模型表明，這種二維Au薄膜具有簡單的六方結構(圖2)。
圖1。應力誘導2D-金薄膜的(a-f)成核、生長和斷裂過程。(g-j)原子尺度下2D-金薄膜的界面生長過程。示意圖。
圖二。2D-金薄膜的簡單六方原子結構。界面位錯協調了SH薄膜與面心立方襯底界面上的晶格失配和取向差。
原位高分辨率表征進壹步闡明了二維Au薄膜在原子尺度上成核和生長的動力學機制。結果表明，應力驅動的缺陷演化過程，包括界面位錯的滑移和爬升以及界面原子的擴散和遷移，是二維Au薄膜形成的關鍵機制(圖3)。大量試驗表明，金屬納米結構中的晶格缺陷，如晶界、孿晶界、位錯和裂紋等，可以作為二維金屬薄膜的優先成核位置。通過上述機理，我們成功地實現了各種二維金屬薄膜(如Pt、Ag等)的機械制備。)室溫下。
圖3。(a-d)應力誘導的2D-金薄膜從* * *晶格孿晶界(ITB)成核，然後生長。(e-I)2D-金薄膜隨著界面位錯的滑移和爬升而快速生長。(j)2D-金薄膜和襯底界面上的原子結構。
無應力和高劑量電子輻照下的對照實驗表明，電子束輻照在二維Au薄膜的制備中起著相對有限的輔助作用。電子束輻照可以在壹定程度上激活有限的位錯運動，促進原子/空位在薄膜或界面的擴散和遷移，從而促進二維Au薄膜的形成和生長(圖4)，但只有在電子束劑量較高時才會產生顯著影響。盡管如此，電子束輻照也提供了壹種制備單元素金屬二維材料的有效方法。
圖4。電子束輻照有助於2D-金薄膜的制備，激活有限的位錯運動，促進薄膜表面原子/空位的擴散和遷移。
結合機械手段和缺陷工程學成功制備的二維金屬薄膜為“自頂向下”法制備其他類型的二維材料提供了新的啟示。本文的研究成果得到了國家自然科學基金的資助。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。