[论文解读] 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 111

一句话总结

该研究利用基于第一性原理的计算来确定单层 borophene 的理想拉伸强度和临界应变，揭示高强度但在失效前应变极小，以及在 b 方向的声子不稳定性和负泊松比行为。

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.

研究动机与目标

• 研究在 Ag(111) 上生长的单层 borophene（矩形结构）的力学性质。
• 量化 a 方向和 b 方向的理想拉伸强度。
• 确定临界应变及相关的屈曲/声子不稳定机制。
• 探索拉伸加载下的失效与变形机理。
• 评估定向加载下的泊松比行为。

提出的方法

• 对单层 borophene 进行基于第一性原理的计算。
• 计算应力-应变响应以识别理想拉伸强度。
• 评估临界应变和失效机制，包括屈曲和声子不稳定性。
• 分析沿 a 轴和 b 轴的力学性质的定向依赖性。
• 研究拉伸应变下的泊松比行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 borophene 在 a 方向和 b 方向的理想拉伸强度分别是多少？
• RQ2 每个方向的失效临界应变是多少？
• RQ3 屈曲和声子不稳定性如何影响 borophene 的力学响应？
• RQ4 borophene 在定向拉伸加载下是否表现出异常的泊松比行为？

主要发现

• borophene 在 a 方向的拉伸应力可承受高达 20.26 N/m。
• borophene 在 b 方向的拉伸应力可承受高达 12.98 N/m。
• a 方向的临界应变为 8%，在本研究中是已研究的二维系统中最低的。
• b 方向的拉伸应变增强屈曲高度，导致面外负泊松比。
• 声子不稳定性伴随失效，为理解 borophene 的力学极限提供了洞见。