[論文レビュー] The Ideal Tensile Strength and Phonon Instability of Borophene

Haifeng Wang, Qingfang Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2016

Graphene research and applications参考文献 40被引用数 111

ひとこと要約

本研究は first-principles 計算を用いて monolayer borophene の理想的引張強度と臨界ひずみを決定し、高い強度を示す一方で破壊前のひずみが非常に小さく、b方向でのフォノン不安定性および負のポアソン比挙動が明らかになる。

ABSTRACT

Very recently, two-dimensional(2D) boron sheets (borophene) with rectangular structure has been grown successfully on single crystal Ag(111) substrates.The fabricated boroprene is predicted to have unusual mechanical properties. We performed first-principle calculations to investigate the mechanical properties of the monolayer borophene, including ideal tensile strength and critical strain. It was found that monolayer borophene can withstand stress up to 20.26 N/m and 12.98 N/m in a and b directions, respectively.However, its critical strain was found to be small. In a direction, the critical value is only 8%, which, to the best of our knowledge, is the lowest among all studied 2D materials.Our numerical results show that the tensile strain applied in b direction enhances the bucking height of borophene resulting in an out-of-plane negative Poisson's ratio, which makes the boron sheet show superior mechanical flexibility along b direction.The failure mechanism and phonon instability of monolayer borophene were also explored.

研究の動機と目的

• Ag(111) 上に成長した monolayer borophene（長方形構造）の機械的特性を調査する。
• a 方向および b 方向の理想的引張強度を定量化する。
• 臨界ひずみとそれに関連する座屈/フォノン不安定性の機構を決定する。
• 引張荷重下での破壊・変形機構を探索する。
• 方向荷重下でのポアソン比の挙動を評価する。

提案手法

• monolayer borophene に対して first-principles (ab initio) 計算を行う。
• 応力-ひずみ応答を計算して理想的引張強度を特定する。
• 臨界ひずみと座屈およびフォノン不安定性を含む破壊機構を評価する。
• a 軸および b 軸に沿った機械的特性の方向依存性を分析する。
• 引張ひずみ下でのポアソン比の挙動を調べる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 borophene の a 方向および b 方向の理想的引張強度はいくらか？
• RQ2 各方向に沿った破壊の臨界ひずみは何か？
• RQ3 座屈とフォノン不安定性は borophene の機械的応答にどのように影響するか？
• RQ4 方向性引張荷重下で borophene は異常なポアソン比挙動を示すか？

主な発見

• Borophene は a 方向で最大 20.26 N/m の引張応力に耐えられる。
• Borophene は b 方向で最大 12.98 N/m の引張応力に耐えられる。
• a 方向の臨界ひずみは 8% で、本研究で調べられた 2D 系の中で最も低い。
• Tensile strain in the b direction enhances buckling height leading to out-of-plane negative Poisson's ratio.
• Phonon instability accompanies failure, providing insight into the mechanical limits of borophene.