新型二维层状材料中的应变工程

Novel two-dimensional layered materials have attracted enormous interest for their many marvelous properties. One common feature of these novel two-dimensional layered materials is their high stretchability and the possibility to manipulate their electronic, magnetic and optical properties via mechanical strain, which is called strain engineering. This project carries out a systematic and deep study on strain engineering in novel two-dimensional layered materials. Specifically, three aspects are included: (1) Study and understand the coupling between mechanical strain and electronic, magnetic and optical properties in novel two-dimensional layered materials, and search for new systems and also potential applications for strain engineering. (2) Whether there are new mechanical ways to induce large strain will be explored, which might provide new possibilities for strain engineering. (3) Study and understand the effect of defects (dislocations, grain boundaries and etc.) on mechanical properties (strength, toughness and etc.) and transport properties under different types of external loads (uniaxial tension, biaxial tension, bending, wrinkling and etc.), which could clear the way for the application of strain engineering.

新型二维层状材料由于其奇特的物性受到了学术界的广泛瞩目。如果关注它们的力学性质会发现，几乎所有的新型二维层状材料都具有良好的拉伸性，这使得利用外加应变调控它们的电学、磁学以及光学等性质变为可能，学术上称之为应变工程。本项目将对新型二维层状材料中的应变工程进行系统、深入的研究，主要包括以下三个方面：（1）研究并深入理解新型二维层状材料中应变和电学、磁学、光学等性质的联系，为应变工程寻找新体系和潜在应用。（2）研究不同形式的力学加载，探索在新型二维层状材料中诱导大应变的可靠途径，为应变工程提供切实可行的方案。（3）研究在不同形式的力学加载下（单轴拉伸、双轴拉伸、弯曲、褶皱等），缺陷（位错、晶界等）对新型二维层状材料力学性能（强度、韧性等）和输运性质的影响，为应变工程的实际应用奠定前瞻性科学基础。

几乎所有的新型二维层状材料都具有良好的拉伸性，这使得利用外加应变调控它们的电学、磁学以及光学等性质变为可能，学术上称之为应变工程。近几年该领域也有了新的发展，将二维材料组装成为一个三维宏观块体方便实际应用，通过调控二维材料聚合物的微结构有望在该体系中实现新的功能。由于可承受大变形且可回复性较好，利用变形调控、改良二维材料聚合物的物理性能成为了目前的一个前沿话题。..本项目主要开展了以下二个方面的研究内容: .1..二维材料面内应变与物性的关联：.（1）石墨烯内禀缺口效应：理论研究石墨烯断裂韧性，考虑石墨烯键角带来的内禀缺口效应，由120度的碳碳键角推导出裂纹尖端的应力场奇异性为r^(-0.393)，颠覆了经典的r^(-1/2)奇异性，进一步推导出断裂临界应力不满足格里菲斯准则给出的σcr正比于a^(-1/2)（其中σcr表示断裂临界应力，a为中心裂纹长度），并利用分子动力学模拟以及已有实验数据证实了该理论预言。.（2）二维材料面内异质结的应变调控：二维材料应变通常难以调控。我们基于Eshelby夹杂理论对平面内异质结图案进行设计，从而在二维材料中可实现任意应力、应变场。..这部分工作为二维材料面内应变工程奠定了结实的理论基础。..2..二维材料聚合物中应变与物性的关联，主要工作有：.（1）石墨烯泡沫材料的电导极大：石墨烯泡沫材料具有良好的导电性。但是到目前为止，没有任何理论工作对于该体系的电导率进行系统研究。结合分子动力学模拟、第一性原理计算、紧束缚模型以及介观输运理论，系统研究不同结构石墨烯泡沫材料的电导率，并发现通过控制石墨烯片厚度可使电导率达到极大值。在此基础上，研究循环加载下石墨烯泡沫材料电导率的变化规律，计算结果定性与实验一致，从而验证了计算模型及方法正确有效。.（2）开展实验合作对石墨烯泡沫材料力、热、光、电与变形间的耦合机制进行了深入研究，同时为该体系开发出新功能，如智能太阳能水蒸发以及微米级超级电容等。..这部分工作为二维材料聚合物应变工程的实际应用提供了新的思路。