原位通孔鼓泡法测试二维材料杨氏模量

摘要

二维材料因其独特的晶体结构、新奇的物理特性和优异的力学性能,在光电器件、微纳机电系统等诸多领域有着广阔的应用前景,其中力学性能对于器件的制备、功能性、稳定性以及服役寿命等方面尤为重要。本文提出了一种测量二维材料杨氏模量的普适性实验方法,借助通孔鼓泡技术对材料进行连续可控加载,同时结合原子力探针技术原位表征其力学响应。该技术较好地解决了文献中常用恒定分子数鼓泡技术在测试二维材料杨氏模量中存在的加载周期长、加载不连续等弊端。以单层或双层石墨烯薄膜为例,利用自行搭建的通孔鼓泡实验平台结合原子力显微技术实现了鼓泡高度和直径大小的原位测量,借助Hencky解获得石墨烯杨氏模量,实验数值与文献报道相符。此外,在三角波和正弦波两种动态循环加载方式下,该测试方法均表现出良好的稳定性。本文工作不仅发展了一种普适原位的二维材料杨氏模量实验测试方法,也为大面积二维材料薄膜力学性能的程序化测试与分析、高通量实验数据的力学统计分析打下了可靠的实验基础。