[论文解读] Young's Modulus of Single-Layer Black Phosphorus

Jin-Wu Jiang, Harold S. Park|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2014

2D Materials and Applications被引用 3

一句话总结

本研究采用第一性原理计算方法，研究了单层黑磷的力学行为，揭示了其褶皱状、准二维结构导致的杨氏模量和极限应变具有强烈的各向异性。杨氏模量在垂直于褶皱方向为44.0 GPa，平行于褶皱方向为92.7 GPa，相应方向的极限应变分别为0.48和0.20。

ABSTRACT

The mechanical properties of single-layer black phosphrous under uniaxial deformation are investigated using first-principles calculations. Both Young's modulus and the ultimate strain are found to be highly anisotropic and nonlinear as a result of its quasi-two-dimensional puckered structure. Specifically, the in-plane Young's modulus is 44.0 GPa in the direction perpendicular to the pucker, and 92.7 GPa in the parallel direction. The ultimate strain is 0.48 and 0.20 in the perpendicular and parallel directions, respectively.

研究动机与目标

• 理解单层黑磷在单轴形变下的力学响应。
• 量化其褶皱状准二维结构引起的各向异性力学性能。
• 测定不同晶向的面内杨氏模量和极限应变。
• 提供关于该二维材料非线性力学行为的第一性原理见解。

提出的方法

• 采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，对单层黑磷进行建模。
• 沿两种不同的面内晶向施加单轴应变：垂直于褶皱方向和平行于褶皱方向。
• 通过计算应力-应变响应，提取杨氏模量和极限应变。
• 通过比较两个主方向的结果，分析力学性能的各向异性。
• 计算中考虑了固有的褶皱结构，该结构导致力学响应具有方向依赖性。
• 通过分析应力-应变曲线的曲率，评估非线性力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层黑磷在垂直于褶皱方向的杨氏模量是多少？
• RQ2 单层黑磷在平行于褶皱方向的杨氏模量是多少？
• RQ3 极限应变在两个面内方向之间如何变化？
• RQ4 由于褶皱结构的存在，力学响应的各向异性程度如何？
• RQ5 不同方向的应力-应变行为在多大程度上偏离线性？

主要发现

• 当单轴应变沿垂直于褶皱方向施加时，单层黑磷的面内杨氏模量为44.0 GPa。
• 当应变沿平行于褶皱方向施加时，杨氏模量增加至92.7 GPa，表明存在强烈的各向异性。
• 在垂直于褶皱方向，极限应变达到0.48，反映出较高的延展性。
• 在平行于褶皱方向，极限应变显著降低至0.20，表明断裂抗力较低。
• 力学响应呈非线性，由于褶皱结构的存在，与胡克定律存在明显偏离。
• 杨氏模量和极限应变的各向异性直接源于其准二维褶皱原子排列。