二维材料的力学行为与性能：从微观结构到宏观应用（DOI: 10.3390/ma14051192）
二维材料自单层石墨烯被成功剥离以来，因其独特的结构和卓越的性能而备受关注。这些材料不仅在电子、光学领域展现出巨大潜力，其力学行为和性能也成为了研究热点。本文综述了二维材料的结构缺陷、力学行为和性能的最新研究进展，揭示了这些材料在实际应用中的潜力与挑战。
一、二维材料的原子结构与分类
二维材料家族庞大，根据成分和原子结构可分为四大类：石墨烯家族、Xenes、硫族化合物和二维氧化物。石墨烯家族包括石墨烯及其衍生物，如氟化石墨烯、氯化石墨烯等。Xenes由单一元素构成，如硼烯、硅烯等，具有扭曲的六角或三角晶格。硫族化合物如过渡金属二硫化物（TMDCs），其结构为金属原子层夹在两个硫族元素原子层之间。二维氧化物则包括铅、磷、过渡金属氧化物等，通常以单层、多层或超晶格结构出现。
图1：展示了二维材料的分类和原子结构示意图，包括石墨烯家族、Xenes、硫族化合物和二维氧化物的结构示意图。
图2：展示了Xenes的结构示意图，如硼烯、硅烯等的原子排列和晶体结构。
二、二维材料中的结构缺陷
二维材料在合成过程中不可避免地会产生各种缺陷，这些缺陷对其力学性能有显著影响。以石墨烯为例，常见的点缺陷包括Stone-Wales缺陷、单空位和双空位等。Stone-Wales缺陷是由于石墨烯中一对原子的90°旋转形成的，包含两个五边形和两个七边形。单空位会导致石墨烯中出现五边形和九边形环，而双空位则会形成两个五边形和一个八边形环。这些缺陷的形成能量较高，表明它们在非平衡条件下才会出现。对于六方氮化硼（h-BN），其结构与石墨烯相似，但Stone-Wales缺陷在h-BN中能量上更不利，因为它们涉及两组新的同元素键。
图3. 展示了石墨烯中的Stone-Wales缺陷、单空位和双空位等点缺陷的原子结构图。
除了点缺陷，二维材料中还存在位错和晶界。位错是通过在原始结构中插入半无限条带来定义的，等同于一对正负夹角缺陷。晶界是二维材料中常见的平面缺陷，分离了具有不同取向的晶粒。晶界的能量密度显著依赖于晶粒之间的错位角度。当错位角度较小时，晶界能量通常随错位角度的增加而增加。在大角度区域，晶界能量在特定角度可以显著降低，这是由于位错的存在导致的。
三、二维材料的力学行为与性能
（一）模量与强度
二维材料的模量和强度是其力学性能的重要指标。通过原子力显微镜（AFM）纳米压痕技术，可以直接测量二维材料的弹性模量和强度。例如，石墨烯的弹性模量约为1.0 ± 0.1 TPa，其固有强度为130 ± 10 GPa。其他二维材料如h-BN、MoS₂等也通过类似方法进行了力学性能的测量和计算。分子动力学（MD）模拟和第一性原理计算（DFT）也被广泛用于预测二维材料的弹性模量和理论强度。这些方法揭示了二维材料在平面内具有高刚度和理论强度，且由于共价键的存在，其力学性能表现出各向异性。
（二）断裂行为
二维材料的断裂行为是其力学性能的另一个重要方面。石墨烯在受到拉伸时表现出脆性断裂，其断裂韧性为11.8 J/m²。断裂过程中，裂纹通常沿扶手椅或锯齿方向扩展，这与石墨烯边缘能量的非单调依赖性有关。对于多晶石墨烯，其断裂行为更为复杂，断裂韧性会因晶界的存在而增加。晶界可以减少裂纹尖端的应力集中，并诱导裂纹扩展路径的弯曲和分支。此外，通过引入拓扑缺陷（如夹角缺陷和位错）可以显著提高石墨烯的断裂韧性。这些缺陷通过裂纹屏蔽、裂纹桥接和局部曲率贡献来增强石墨烯的韧性。
（三）压电性与挠曲电性
二维材料的压电性和挠曲电性是其电子和力学性能耦合的重要体现。由于二维材料的非中心对称结构，它们可以表现出压电效应。例如，单层MoS₂在受到循环加载时会产生振荡的压电输出，其压电系数为e₁₁ = 2.9 × 10⁻¹⁰ C/m。通过第一性原理计算，预测了多种二维材料的压电系数，为这些材料在电子和力学耦合领域的应用提供了指导。此外，通过化学掺杂或引入非中心对称的纳米孔，可以诱导二维材料的压电性，为实现二维材料的多功能性提供了可能。
四、二维材料的摩擦与层间剪切
二维材料的摩擦行为和层间剪切性能对于其在纳米电子和机械系统中的应用至关重要。实验表明，双层石墨烯的摩擦力比单层石墨烯低约两倍。这种差异可能与单层石墨烯中增强的电子-声子相互作用有关，导致能量耗散更有效。此外，二维材料在不同环境下的摩擦行为也受到关注。例如，在水环境中，石墨烯的摩擦行为几乎与超高真空环境相同，但水分子会随机影响石墨烯的摩擦行为。此外，通过等离子体处理基底可以显著降低石墨烯在基底上的摩擦系数，这归因于强界面粘附抑制了石墨烯的面外变形。
五、二维材料与基底之间的范德华相互作用
二维材料与基底之间的相互作用以及异质多层结构之间的相互作用因其独特的结构和电子特性而受到广泛关注。例如，石墨烯在单晶h-BN上的载流子迁移率显著高于在SiO₂基底上的迁移率。这种成功激发了异质结构的发展，这些结构具有新颖的功能。通过在石墨烯和h-BN之间插入单层过渡金属二硫化物（TMDCs），可以构建出具有改进的光吸收和光电流响应的异质结构，从而实现更高效的光伏器件。此外，通过精确控制堆叠层之间的扭转角度，可以实现异质结构的电子和光学性能的调制。这些研究为二维材料在电子和光学领域的应用提供了新的思路。
六、结论与展望
本文综述了二维材料的结构缺陷、力学行为和性能的最新研究进展，强调了缺陷工程在调控二维材料性能中的重要作用。尽管二维材料的研究已经取得了显著进展，但仍有许多问题需要进一步探索。例如，对于新合成的二维材料，实验研究相对较少，其性能大多停留在理论预测阶段。此外，现有的力学测试方法对于二维材料的测量存在局限性，需要开发更有效的模型来提取二维材料的本征力学性能。未来的研究需要进一步探索二维材料的力学性能，优化缺陷工程方法，以实现二维材料在实际应用中的高性能和多功能性。
（注：本文基于期刊论文内容整理，旨在介绍研究成果，不涉及任何商业用途。）
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