摘要：以Ti3C2Tx为代表的二维过渡金属氮化物和碳化物 (MXenes)由于其独特的物理和化学性质，在柔性电子、机电设备和结构膜等领域有着广泛的应用。尽管理论上预测二维Ti3C2Tx的杨氏模量为0.502 TPa，但由于测量非常有限，迄今尚未得到实验证实。
以Ti3C2Tx为代表的二维过渡金属氮化物和碳化物 (MXenes)由于其独特的物理和化学性质，在柔性电子、机电设备和结构膜等领域有着广泛的应用。尽管理论上预测二维Ti3C2Tx的杨氏模量为0.502 TPa，但由于测量非常有限，迄今尚未得到实验证实。
来自华东理工大学的研究人员通过优化样品制备、切割和转移方案，利用纳米力学推拉设备在扫描电镜下对单层Ti3C2Tx纳米片进行了直接原位拉伸测试。有效杨氏模量为0.484±0.013 TPa，比之前有争议的纳米压痕法得到的0.33 TPa更接近于理论值0.502 TPa，实测弹性刚度为~948 N/m。在拉伸加载过程中，Ti3C2Tx单层材料的平均弹性应变为~3.2%，抗拉强度高达~15.4 GPa。这项工作纠正了以前的纳米压痕方法的报道，并证明了Ti3C2Tx确实具有广泛的应用潜力。
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二维过渡金属碳化物和氮化物，被称为MXenes，是一类新兴的二维层状材料，由于其优异的金属导电性、亲水性、分散稳定性和柔韧性而受到广泛关注。自2011年Yury等人发现第一个MXene (Ti3C2Tx)以来，其物理和化学性质的交叉组合促进了各种应用的广泛研究，包括柔性电子，超级电容器，催化，传感器，航空航天和微/纳米机电设备。考虑到二维MXenes在实际应用中可能会发生拉伸、弯曲和扭转，从而导致性能下降，因此对MXenes的力学性能进行研究是必要的。迄今为止，仅有少量的理论和实验研究对MXenes的力学性能进行了研究。通过原位透射电镜拉伸测试，40 nm厚度的多层Ti3C2Tx薄膜的力学性能可达到670 MPa。然而，这些报道的多层Ti3C2Tx的拉伸强度明显低于20 GPa的理论预测，由于单层二维薄片之间的弱相互作用，不能反映真实的力学性能。因此，单层Ti3C2Tx纳米片的力学性能应该从最小的组分单元本身进行研究，这是设计Ti3C2Tx基材料结构稳定性和性能提升的关键。
由于单层Ti3C2Tx纳米片的纳米级厚度，其力学性能的定量测量极具挑战性。Lipatov等人利用原子力显微镜 (AFM) 对单层Ti3C2Tx进行了纳米压痕力学测试，他们报告了有效杨氏模量为330 GPa (理论预测值502 GPa)。然而，由于受到Ti3C2Tx纳米片横向局部测试区域压头尖端尺寸的限制，会产生高度不均匀的应力场和应变场。压头位置的不同以及样品中存在的内应力会导致结果的不确定性很大。虽然AFM纳米压痕方法已经被用于测量二维材料，如石墨烯和h-BN的力学性能，但这些单层材料只有一个原子层，而单层Ti3C2Tx的主体有五个原子层。由于AFM方法垂直于二维Ti3C2Tx的基面，接触AFM探针的原子层可能会偏离正常排列的原子结构，导致原子严重错排，从而导致应力场不均匀。因此，用AFM纳米压痕法精确测量单层Ti3C2Tx纳米片的力学性能是困难的。因此，迫切需要一种可靠、直接、定量的方法来测量单层Ti3C2Tx纳米片的力学性能。通过单轴拉伸试验，可以直接在二维材料平面上进行均匀加载，这也是研究Ti3C2Tx力学性能最有效的方法。
在这项工作中，研究团队制备了高质量的大尺寸单层Ti3C2Tx纳米片，并使用精确控制聚焦离子束切割技术和改进的干转移技术将其固定在纳米力学测试平台“推拉”装置上进行原位拉伸实验。测定了单层Ti3C2Tx纳米片的杨氏模量和拉伸强度。同时，通过分子动力学模拟理论建模计算对实验数据进行了验证。总的来说，这项工作为机械剥离产生的其他二维材料的纳米力学测试提供了一种有效的策略，并为需要特殊机械性能的材料 (如基于Ti3C2Tx的柔性电子器件) 的广泛应用提供了指导。
综上所述，这项研究成功地利用PTP纳米机械装置在SEM中实现了独立单层Ti3C2Tx纳米片的原位力学拉伸测试。与AFM纳米压痕测试的横向局部测试相比，PTP装置可以实现样品在平面上的均匀拉伸，能够可靠地测量单层Ti3C2Tx的力学性能。单层Ti3C2Tx的杨氏模量为483.5±13.2 GPa，接近理论预测值502 GPa。结果表明，Ti3C2Tx纳米片呈现脆性断裂，平均弹性应变为~3.2%，为Ti3C2Tx在弹性应变工程中的应用提供了契机。实验测得有效断裂强度(15.4±1.92 GPa) 与理想断裂强度 (~18.4 GPa) 的差异主要是由于试样的边缘原子级缺陷造成的，这种差异随着试样宽度尺度的增大而减小。通过分子动力学模拟量化了边缘缺陷对断裂强度的影响，通过调节单层Ti3C2Tx纳米片的边缘状态可以提高其工程断裂强度。
本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队支持。
来源：笔迹科学社区