微纳米复合材料实验室在二维材料各向异性断裂研究中取得新进展

近年来，二维材料研究获得了蓬勃发展，其中各向异性二维材料因具有面内低对称结构，表现出物理性质的面内各向异性，为高性能二维器件的设计提供了新的维度，因此受到了广泛关注。除了光学与电学各向异性之外，二维材料的力学性能决定了材料的变形能力与应变可调性，对器件的功能特性和服役寿命起着决定性作用。目前，关于各向异性二维材料的力学检测仍处于起步阶段，早期的工作大多采用纳米压痕法、微孔鼓泡法或柔性基底辅助加载等方法探究二维材料的面内弹性各向异性。事实上，作为二维材料另一个重要的力学参数，其各向异性断裂不仅决定着二维晶体的剥离与生长过程，而且对预测二维材料器件的鲁棒性与可靠性有着重要的意义。然而，目前关于二维材料面内各向异性断裂尚缺乏充分的理解，仅有的少量实验和模拟工作均聚焦于各向同性二维材料（如石墨烯、氮化硼等），对于各向异性二维材料的断裂行为仍有待进一步研究。

近期，中国科学技术大学微纳米复合材料实验室张忠教授团队与近代力学系吴恒安教授团队展开了深入合作，利用原位电镜微机电系统（MEMS）单轴拉伸测试方法，系统研究了二维钽镍硒（Ta₂NiSe₅）的面内力学各向异性以及断裂行为，首次实验测量得到了Ta₂NiSe₅的各向异性断裂韧性，并结合第一性原理计算，深入揭示了其晶格结构主导的面内各向异性断裂机制，同时阐明了由面内强度与层间剪切的竞争机制引发的面外各向异性断裂行为。相关研究成果以“Anisotropic Fracture of Two-Dimensional Ta₂NiSe₅”为题，发表在材料科学Top期刊《Nano Letters》上，并被选为了期刊内页封面。

Ta₂NiSe₅（以下简称TNS）是一种单斜二维晶体，属于C2/c空间群，具有显著的面内各向异性。利用机械剥离法得到了呈长条状的TNS条带，并通过角偏振拉曼光谱证明其具有较强的面内光学各向异性，并由此可确定其晶格取向。利用高分辨透射电镜对其晶体结构进行表征，发现其面内结构由沿a轴与c轴交替排列的Ta双链与Ni单链组成，顺序为Ta-Ni-Ta。通过统计机械剥离获得的TNS条带边缘角度分布，初步预测其沿c轴方向断裂能相对较低。

此外，研究发现随着厚度增加，沿a轴方向TNS失效模式由面内断裂转向层间断裂，并且裂纹路径由30°取向转为垂直于拉伸方向，通过断口形貌表现为阶梯状特征分析，这是由于层间剪切/滑移效应导致的；而沿c轴方向，断口仍然维持面内断裂的齐整边缘特征，依旧完美垂直于拉伸方向。通过DFT计算了两轴方向的层间剪切应力，发现a轴方向层间剪切应力明显弱于c轴（约为1/40），因此表现出更为显著的滑移行为，进一步结合实验测量验证了该层间滑移可显著提高材料的韧性（断裂功）。本工作为构建基于原子级齐整边缘的纳米条带电子器件提供了理论指导。

中国科学技术大学近代力学系硕士生李滨兆、李嘉豪为共同第一作者，张忠教授、汪国睿教授与朱银波副教授为共同通讯作者，吴恒安教授与国家同步辐射实验室宋礼教授为该研究提供了重要指导与建议。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学技术大学青年创新重点基金以及中国科学院青年创新促进会等基金项目的资助。部分实验工作在中国科学技术大学理化科学实验中心、微纳研究与制造中心与国家同步辐射实验室完成。