[논문 리뷰] Strain induced enhancement of elastic modulus in graphene

M. Jaafar, Guillermo López‐Polín외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 09.

Graphene research and applicationsMaterials Science인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 2차원 막에서 운동량에 의존하는 탄성 계수의 영향으로 인해, 약 0.2%의 점자화 비율에서 그래핀의 평면 내 영률(Young's modulus)이 거의 두 배로 증가함을 밝혀내며, 예상과는 정반대의 결과를 보였다. 그러나 균열 강도는 결함 농도가 증가함에 따라 감소하여 기계적 응용 분야에서 중요한 균형을 설정한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대기 조건 하에서 제어된 결함 농도를 가진 그래핀의 기계적 거동을 조사하기 위해.
• 격자 결함이 물질의 강도를 약화시키는 것으로 알려져 있음에도 불구하고, 그래핀의 강성은 증가하는지 감소하는지에 대한 역설을 해결하기 위해.
• 결함 농도와 탄성 계수, 균열 강도, 강성 사이의 정량적 구조-성질 관계를 수립하기 위해.
• 낮은 결함 농도에서 탄성 계수의 직관에 반하는 증가 현상을 이론적으로 설명하기 위해.

제안 방법

• 확장 가능한 합성 방법을 사용하여 정밀하게 제어된 점자화 비율을 가진 그래핀 시트를 체계적으로 제작하기 위해.
• 실내 조건에서 나노인덴테이션 및 인장 시험을 통해 평면 내 영률과 균열 강도를 측정하기 위해.
• 결함 농도에 따른 균열 강도를 예측하기 위해 연속체 균열역학 모델을 적용하기 위해.
• 2차원 막에서 굽힘 모드의 탄성 계수의 운동량 의존성에 기반한 이론적 모델링을 통해 탄성 계수 증가 메커니즘을 설명하기 위해.
• 실험 데이터와 이론적 예측 간의 상관관계를 분석하여 탄성 계수 증가 배경 메커니즘을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 점자화 농도를 증가시키면 그래핀의 평면 내 영률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 격자 불순물이 존재하는 바에도 불구하고 결함 농도가 증가함에 따라 탄성 계수가 처음에는 왜 증가하는가?
• RQ3 그래핀에서 결함 농도와 균열 강도 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ4 관찰된 탄성 계수 증가 현상은 2차원 막 탄성 이론 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 약 0.2%의 점자화 비율에서 그래핀의 평면 내 영률이 거의 100% 증가하여, 지금까지 보고된 바 있는 가장 강성 있는 물질이 되었다.
• 탄성 계수 증가는 2차원 막의 굽힘 모드에서 탄성 계수의 운동량 의존성에 기인하며, 이 이론적 메커니즘은 실험 데이터에 의해 검증되었다.
• 점자화 농도가 약 0.2%를 초과하면 탄성 계수는 추가적인 결함 포함에 따라 감소함을 보여, 임계 결함 농도가 존재함을 시사한다.
• 균열 강도는 결함 농도 증가와 함께 일관되게 감소하였으며, 표준 연속체 균열 모델과 일치하였다.
• 관측된 기계적 거동는 실내 대기 조건에서 측정되었으며, 실제 응용에의 관련성을 확인하였다.
• 본 연구는 고강성 응용을 위한 그래핀 기반 재료 설계를 안내하는 정량적 구조-성질 관계를 수립하였다.