[论文解读] Super-stretchable borophene and its stability under straining

Zhenqian Pang, Xin Qian+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2016

Boron and Carbon Nanomaterials Research参考文献 27被引用 7

一句话总结

本研究采用密度泛函理论（DFT）研究了二维硼烯的力学性能，发现由于应变诱导的平面化和结构重排，其横向方向的可拉伸性近乎纵向方向的两倍。尽管具有高延展性，声子色散分析表明其在高拉伸应力下存在不稳定性，提示自由悬挂的硼烯在机械上可能并不稳定。

ABSTRACT

Recent success in synthesizing two-dimensional borophene on silver substrate attracts strong interest in exploring its possible extraordinary physical properties. By using the density functional theory calculations, we show that borophene is highly stretchable along the transverse direction. The strain-to-failure in the transverse direction is nearly twice as that along the longitudinal direction. The straining induced flattening and subsequent stretch of the flat borophene are accounted for the large strain-to-failure for tension in the transverse direction. The mechanical properties in the other two directions exhibit strong anisotropy. Phonon dispersions of the strained borophene monolayers suggest that negative frequencies are presented, which indicates the instability of free-standing borophene even under high tensile stress.

研究动机与目标

• 研究单层硼烯在单轴拉伸应变下的力学稳定性和可拉伸性。
• 理解硼烯在不同晶向上的各向异性力学行为的起源。
• 通过声子色散分析评估应变硼烯的结构和动态稳定性。
• 基于应变耐受能力和稳定性，评估自由悬挂硼烯在纳米机械应用中的可行性。
• 探讨结构重排（平面化与拉伸）在增强横向方向断裂应变中的作用。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算，模拟银基底上的单层硼烯。
• 沿纵向和横向晶向施加单轴拉伸应变，以评估其力学响应。
• 追踪应变过程中的结构演化，特别关注平面化和结构重排机制。
• 计算应变硼烯的声子色散关系，以评估动态稳定性。
• 比较横向与纵向方向的断裂应变值，以量化各向异性。
• 在DFT计算中使用广义梯度近似（GGA）处理交换-关联泛函。

实验结果

研究问题

• RQ1 硼烯在横向与纵向方向的断裂应变分别是多少？
• RQ2 什么结构机制导致了横向方向可拉伸性的增强？
• RQ3 拉伸应变如何影响硼烯的电子结构和稳定性？
• RQ4 声子色散分析是否表明应变硼烯存在动态不稳定性？
• RQ5 自由悬挂硼烯在高拉伸应力下能否保持结构完整性？

主要发现

• 硼烯在横向方向的断裂应变值接近纵向方向的两倍。
• 横向方向可拉伸性的增强源于应变诱导的平面化，随后发生结构重排。
• 应变硼烯的声子色散谱中存在负频率，表明存在动态不稳定性。
• 在高拉伸应力下出现的不稳定性表明，自由悬挂硼烯在实际应用中可能不具备机械稳定性。
• 硼烯的力学性能表现出强烈的各向异性，其横向延展性显著高于纵向方向。
• 本研究证实，尽管硼烯具有高度可拉伸性，但在高拉伸应变下其动态稳定性会受到损害。