二维(2D)材料由于其特殊结构而具有一系列优异的物理化学性质。然而，机械剥离、化学沉积和生长等传统方法在制备单元素金属二维材料方面存在诸多挑战。近日，浙江大学张泽院士、王江伟研究员课题组与美国佐治亚理工大学Ting Zhu教授、中科院金属所杜奎研究员等人合作，基于材料塑性变形的普遍特征提出了利用“自上而下”的机械减薄法来制备单元素金属二维材料，并通过Au双晶/多晶纳米结构的原位机械拉伸成功获得了单原子厚度的Au薄膜。相关研究成果以“Free-standing Two-Dimensional Gold Membranes Produced by Extreme Mechanical Thinning”为题发表在ACS nano上。https://doi.org/10.1021/acsnano.0c06697
材料塑性变形过程中，缺陷、界面等处较易产生应变集中或应变局部化。微纳尺度下，这种应变局部化会促使材料快速发生局部颈缩，导致机械减薄。基于该变形特征，研究人员针对性地设计了多种Au双晶/多晶纳米结构，在无衬底、无合金化、无化学处理的条件下，仅通过塑性变形便可使晶界处的发生显著的机械减薄，诱发二维Au薄膜优先在晶界处发生形核，随后该晶核通过薄膜/基体界面的逐渐扩展而不断长大（图1）。显微结构分析与理论模型表明，这种二维Au薄膜为单层简单六方结构（图2）
图1.(a-f)应力诱导的2D-Au薄膜的形核、生长与破裂过程。(g-j)原子尺度下2D-Au薄膜的界面生长过程。(k)原理示意图。
图2. 2D-Au薄膜的简单六方单层原子结构（simple-hexagonal，SH），界面位错协调了SH薄膜与FCC基体交界处的部分晶格失配和取向差。原位高分辨表征进一步从原子尺度阐明了二维Au薄膜形核与生长的动力学机制。结果表明，应力驱动下的缺陷演化过程，包括界面位错的滑移、攀移与界面原子的扩散迁移，是二维Au薄膜形成的关键机制（图3）。大量测试表明，金属纳米结构中的晶格缺陷，如晶界、孪晶界、位错、裂纹等，均可作为二维金属薄膜的优先形核位点。通过上述机制，我们成功实现了多种二维金属薄膜材料（如Pt、Ag等）的室温机械制备。
图3. (a-d)应力诱导下2D-Au薄膜从共格孪晶界(ITB)处形核然后生长。(e-i)随着界面位错的滑移与攀移，2D-Au薄膜快速生长。(j) 2D-Au薄膜与基体界面处的原子结构。无应力、高剂量电子辐照下的对照实验表明，电子束辐照在二维Au薄膜的制备中发挥着相对有限的辅助作用。电子束辐照可在一定程度上激活有限的位错运动，促进薄膜或界面处的原子/空位扩散迁移，从而促进二维Au薄膜的形成与长大（图4），但仅当电子束剂量较高时才会产生显著影响。尽管如此，电子束辐照也提供了一种单元素金属二维材料制备的有效方法。
图4.电子束辐照协助2D-Au薄膜的制备，激活有限的位错运动，促进薄膜表面原子/空位扩散迁移等
本工作结合机械手段和缺陷工程成功制备的二维金属薄膜，为利用“自上而下”的方式制备其他类型的二维材料提供了新的启示。本文的研究成果得到了国家自然科学基金委的资助。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
