中美研究人員19日在新一期美國(guó)《科學(xué)進(jìn)展》雜志上報(bào)告說(shuō)，他們首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了單晶硅納米線接近理論極限的彈性拉伸。具有超強(qiáng)彈性的硅納米線將有望廣泛應(yīng)用在柔性電子皮膚、可彎曲甚至折疊的屏幕等新興領(lǐng)域。這項(xiàng)研究由美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校杜經(jīng)寧教授、麻省理工學(xué)院李巨教授和中國(guó)香港城市大學(xué)陸洋助理教授等人合作完成。
硅納米線實(shí)驗(yàn)研究
硅是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備。然而，硅晶體是一種非常堅(jiān)硬而脆的材料，其彈性幾乎可以忽略不計(jì)，這使得硅在需要承受較大機(jī)械形變的器件中的應(yīng)用受到較大限制。
近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于微米、納米尺度下硅的力學(xué)性質(zhì)展開(kāi)一系列研究發(fā)現(xiàn)，隨著尺寸的減小，硅可以承受越來(lái)越大的形變，其中納米尺度的硅線可被拉伸至5％以上，但這個(gè)數(shù)字還是遠(yuǎn)低于理論計(jì)算下約17%的彈性極限。
因此，研究人員利用香港城市大學(xué)的高精度原位納米力學(xué)測(cè)試平臺(tái)以及由廈門大學(xué)和香港城市大學(xué)合作提供的單晶硅納米線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。單晶硅納米線的直徑約100納米。
實(shí)驗(yàn)顯示，高質(zhì)量的硅納米線在單軸拉伸下可以達(dá)到10%以上的彈性變形并迅速恢復(fù)，個(gè)別情況甚至實(shí)現(xiàn)了約16%的總體拉伸形變，從而首次將硅納米線的彈性變形推到了其理論極限。
陸洋對(duì)記者解釋說(shuō)，這些硅納米線都是采用成熟的標(biāo)準(zhǔn)方法制備，之所以能實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)彈性，“應(yīng)主要?dú)w功于材料本身的納米尺寸、近乎零缺陷的單晶結(jié)構(gòu)和原子級(jí)別的光滑表面”。此外，他們開(kāi)發(fā)的精密單軸拉伸測(cè)試手段也有助于避免樣品在固定過(guò)程中出現(xiàn)損傷等。
陸洋說(shuō)，當(dāng)前越來(lái)越多的電子設(shè)備和機(jī)電一體化應(yīng)用涉及到越來(lái)越大的機(jī)械形變，例如可彎曲折疊的屏幕面板、柔性電池、可穿戴電子設(shè)備等，而實(shí)現(xiàn)硅納米線的超強(qiáng)彈性，將大大拓展它在這些領(lǐng)域的應(yīng)用。
硅納米線的意義
此項(xiàng)研究的另一個(gè)重要意義是，超強(qiáng)彈性意味著硅納米線可能會(huì)出現(xiàn)前所未有的奇異光電性質(zhì)，從而帶來(lái)一系列全新的“彈性應(yīng)變工程”應(yīng)用，這也是目前的新興前沿研究領(lǐng)域。
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