[論文レビュー] Strain induced enhancement of elastic modulus in graphene

M. Jaafar, Guillermo López‐Polín+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2014

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、グラフェンに制御された欠陥密度を導入することで、約0.2%の欠陥濃度において面内ヤング率がほぼ2倍に向上することを明らかにした。これは2次元膜における運動量依存性の弾性係数のおかげで、予想を裏切る結果である。一方、破壊強度は欠陥密度の増加に伴い低下し、機械的応用において重要な限界が生じる。

ABSTRACT

Graphene extraordinary strength, stiffness and lightness have generated great expectations towards its application in flexible electronics and as mechanical reinforcement agent. However, the presence of lattice defects, unavoidable in sheets obtained by scalable routes, might degrade its mechanical properties. Here we report a systematic study on the elastic modulus and strength of graphene with controlled density of defects. Counter intuitively, the in-plane Young modulus increases with increasing defect density up to almost twice the initial value for vacancy content of ~0.2%, turning it into the stiffest material ever reported. For higher density of vacancies, elastic modulus decreases with defect inclusion. The initial increase in Young modulus is explained in terms of a dependence of the elastic coefficients with the momentum of flexural modes predicted for 2D membranes. In contrast, the fracture strength decreases with defect density according to standard fracture continuum models. These quantitative structure-property relationships, measured in atmospheric conditions, are of fundamental and technological relevance and provide guidance for applications in which graphene mechanics represents a disruptive improvement.

研究の動機と目的

• 大気中条件下における制御された欠陥密度を有するグラフェンの機械的挙動を調査すること。
• 格子欠陥が材料を弱体化させることが知られているにもかかわらず、グラフェンの剛性が向上するのか、あるいは劣化するのかというパラドックスを解明すること。
• 欠陥濃度と弾性率、破壊強度、剛性との間の定量的構造-性質関係を確立すること。
• 低欠陥濃度における弾性率の直感に反する増加を理論的に説明すること。

提案手法

• スケーラブルな合成プロセスを用いて、正確に制御された欠陥密度を有するグラフェンシートを体系的に作製すること。
• 大気中条件下でのナノインデンテーションおよび引張試験を用いて、面内ヤング率および破壊強度を測定すること。
• 欠陥密度関数としての破壊強度を予測する連続体破壊力学モデルの適用。
• 2次元膜における曲げモードの弾性係数の運動量依存性に基づく理論的モデリングにより、弾性率の増加を説明すること。
• 実験データと理論的予測の相関をとることで、弾性率上昇の背後にあるメカニズムを検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 欠陥密度を増加させることで、グラフェンの面内ヤング率はどのように変化するか？
• RQ2 格子不純物が存在するにもかかわらず、欠陥密度の増加に伴い初期段階で弾性率が増加するのはなぜか？
• RQ3 グラフェンにおける欠陥濃度と破壊強度の関係は何か？
• RQ4 観察された弾性率の増加は、2次元膜弾性の理論的モデルで説明可能か？

主な発見

• グラフェンの面内ヤング率は、欠陥濃度が約0.2%に達する際にほぼ100%向上し、これまで報告された中で最も剛性の高い材料となった。
• 弾性率の向上は、2次元膜の曲げモードにおける弾性係数の運動量依存性に起因するものであり、実験データによって理論的メカニズムが裏付けられた。
• 欠陥濃度が約0.2%を超えると、さらなる欠陥の導入に伴い弾性率が低下し、臨界欠陥閾値が存在することが示された。
• 破壊強度は欠陥密度の増加に伴い一貫して低下し、標準的な連続体破壊力学モデルと整合的であった。
• 観察された機械的挙動は大気中条件下で測定されており、実世界の応用における関連性が確認された。
• 本研究は、高剛性応用を目的としたグラフェンベース材料の設計を支援する定量的構造-性質関係を確立した。