一种相结构调控二维铁磁材料弹性性能的方法

技术领域

本发明提供一种相结构调控二维铁磁材料弹性性能的方法，属于材料力学技术领域。

背景技术

材料的力学性能不仅是其应用领域中不可缺少的关键因素，而且在材料科学中具有基础性的重要意义。康斯坦丁·诺沃肖洛夫和安德烈·海姆在2004年成功利用机械剥离的方法制备石墨烯以来，具有优异机械，物理，化学性能的二维材料在各个领域都受到了广泛关注。与传统的块体材料相比，二维材料具有很高的杨氏模量和断裂强度，表现出了高柔性等特点。因此，二维材料是柔性透明电子和复合材料应用中最有前途的候选者。目前，调控二维材料的力学性能通常有两种途径。一种途径是通过缺陷调控二维材料的弹性性能。以二硫化钼为例，具有褶皱结构的二硫化钼相比于平坦的二硫化钼，其具有更大的应变响应范围，这是典型的结构缺陷调控材料的力学性能。另外一种途径是是通过物理吸附或化学吸附的方法修饰材料，达到调控材料力学性能的目的。以石墨烯为例，在石墨烯表面装饰上各种原子和分子，实现石墨烯的功能化。例如，氧化石墨烯和氢化石墨烯等，杨氏模量和断裂强度均低于本征石墨烯。一般来说，通过缺陷调控材料的力学性能也适用于其他材料二维材料(过渡金属硫族化合物，黑磷等)。

同其他的二维材料类似，二维铁碲(FeTe)材料的弹性性质也可以通过缺陷来进行调控。但是，通过缺陷进行调控二维材料的弹性性能仍存在诸多问题。因此，为了充分开发和利用铁碲材料，首先就要实现材料的弹性性能调控。目前，研究所用的缺陷调控手段，限制于工艺手段，这种方法得到的二维FeTe纳米片，由于其存在的缺陷类型，缺陷位点等不同情况，推测会引起二维FeTe纳米片的弹性模量调控不可控现象。目前，大多数的二维材料只有一种相结构，而二维FeTe材料具有四方相和六方相两种相结构。因此，同组分且具有不同相结构的二维FeTe材料为探究通过相结构调控材料的力学性能提供了一个良好的平台。基于此问题，本专利提出一种通过相结构调控二维铁磁材料的弹性性能的方法，能对二维FeTe材料的力学性能进行有效调控。

发明内容

针对目前缺陷调控技术所面临的不足之处，本发明提供了一种相结构调控二维铁磁材料弹性性能的方法，该方法使用原子力显微镜(AFM)纳米压痕法对二维四方相FeTe(t-FeTe)材料和二维六方相FeTe(h-FeTe)材料的弹性性质进行分析，t-FeTe和h-FeTe具有较大差异的弹性性能，因此，可以通过相结构调控二维FeTe材料的弹性性能，在柔性电子器件等各个领域，充分开发和利用FeTe材料。

本发明通过AFM纳米压痕法，利用常规的原子力显微镜对样品施加载荷，从而探究不同相结构的二维FeTe材料的弹性性能。通过严格的实验论证，实现对材料弹性性能的相结构可控调制。一切操作均在大气环境中进行。

本发明主要包括t-FeTe和h-FeTe纳米片悬浮结构制备；具体如下：

t-FeTe和h-FeTe的制备，通过干法转移至预制基底获得，也可以先转移至柔性基地，再转移至预制基底获得。

预制基底包括但不限于：氧化硅、本征硅、石英、云母等。本发明采用原子力显微镜确定得到的t-FeTe和h-FeTe纳米片的厚度。此外，也可以使用光学衬度法判断t-FeTe和h-FeTe纳米片的厚度，这种情况下，建议采用非透明硬质基底(如二氧化硅)。

柔性基底包括但不限于：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)、聚碳酸亚丙酯(PPC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等。采用不同的柔性基底，对应不同的转移方法。例如：采用PDMS基底使用干法转移；采用PS基底可以采用甲苯溶解PS的干法和湿法转移，采用水溶性基底PVA可以使用干法和湿法转移，采用PMMA基底可以采用丙酮溶解PMMA的湿法转移等。

本发明对制得的材料采用AFM纳米压痕法测试其弹性性能，在AFM上装备RTESPA-300型号探针(弹性系数为40N/m)，测试前，按照利用AFM纳米压痕法测试二维材料弹性性能一般性要求，对探针的弹性系数、悬臂的弯曲量灵敏度进行校正。将带有t-FeTe和h-FeTe的硬质基底放置在AFM测试平台上，然后采用AFM的PeakForce QNM模式，对t-FeTe和h-FeTe进行厚度测试，在重复扫描直至AFM高度图像无漂移时，对t-FeTe和h-FeTe纳米片进行弹性性能测试。

采用不同载荷对t-FeTe和h-FeTe进行循环加载，不同载荷下，样品的载荷-压印形变(load-indentation depth)曲线重复良好，表明样品与硬质基地之间无滑移产生，获取可靠有效的力学测试数据。引入连续介质模型，对t-FeTe和h-FeTe纳米片的力学实验数据进行处理。以得到可信的t-FeTe和h-FeTe纳米片的杨氏模量。

特别的，本发明的测试均在大气环境中进行，对样品进行稳定性测试，样品的载荷-压印形变曲线重复良好，表明样品稳定性优异。

与现有技术相比，该发明有以下优点：

(1)本发明实现了相结构可控调节二维FeTe纳米片的弹性性质，开发FeTe材料的新应用。

(2)本发明实现了二维FeTe纳米片的无损转移。

(3)力学测试在大气环境中进行，无需提供特殊的气体氛围。

(4)力学测试所需的设备为常规原子力显微镜，无需复杂的设备。

(5)本发明也可以推及类似的材料体系，不仅限于FeTe材料。

附图说明

图1a是t-FeTe纳米片的光学图像；

图1b是t-FeTe纳米片的高分辨透射电子显微镜图像；

图1c是t-FeTe纳米片的电子衍射图像；

图1d是t-FeTe纳米片的典型的拉曼光谱图像；

图1e是h-FeTe纳米片的光学图像；

图1f是h-FeTe纳米片的高分辨透射电子显微镜图像；

图1g是h-FeTe纳米片的电子衍射图像；

图1h是h-FeTe纳米片的典型的拉曼光谱图像；

图2a为不同载荷循环加载下t-FeTe纳米片的载荷-压印形变曲线；

图2b为不同载荷循环加载下h-FeTe纳米片的载荷-压印形变曲线；

图3a为对t-FeTe纳米片的载荷-压印形变曲线进行分析提取t-FeTe纳米片的杨氏模量；

图3b为对h-FeTe纳米片的载荷-压印形变曲线进行分析提取h-FeTe纳米片的杨氏模量；

图4a为样品首次力学性质测试的载荷-压印形变曲线图；

图4b为在环境条件下，放置8小时后，样品的载荷-压印形变曲线图；

图4c为300nN载荷下，样品首次测试的载荷-压印形变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，以PS做柔性基底，带有预制孔的氧化层硅片做硬质基底为例，详细描述本专利的具体实施方法。采用其他基底，方法类似。步骤依次为：

(1)利用PS做柔性基底的绿色转移法，在带有预制孔的氧化层硅片上制备t-FeTe和h-FeTe纳米片

采用以化学气相沉积法在云母基底制备的t-FeTe和h-FeTe纳米片作为原材料。首先将13gPS溶解至100ml的甲苯溶液中，使用普通匀胶机，以2000rpm的转速，在样品表面进行旋涂PS。在热台以70℃的温度加热15min，使PS固化。之后，利用手术刀将PS/FeTe/云母样品四边进行切割，以便于超纯水进入PS/FeTe/云母样品界面，使PS/FeTe与云母剥离。将切割过四边的PS/FeTe/云母样品放入装有超纯水的玻璃烧杯中，静置至PS/FeTe与云母剥离。采用带有预制孔的氧化层硅片从超纯水中打捞起PS/FeTe薄膜，静置至超纯水挥发完毕。将PS/FeTe/氧化层硅片放置在装有甲苯的烧杯以除去PS。这样，就得到了便于采用AFM纳米压痕法进行力学测试的FeTe的悬浮结构样品。t-FeTe和h-FeTe纳米片便从云母基底，转移至了清洗干净的带有预制孔的氧化层硅片(带有预制孔的氧化层硅片清洗使用丙酮、去离子水、异丙醇依次超声5分钟，之后用氮气枪吹干)。特别的，硅基底无特殊要求，氧化层厚度视具体情况选择。

(2)相结构调控二维FeTe纳米片的弹性性质

在AFM上装备RTESPA-300型号探针(弹性系数为40N/m)，测试实验前，按照利用AFM纳米压痕法测试二维材料弹性性能一般性要求，对探针的弹性系数、悬臂的弯曲量灵敏度进行校正。由于转移后得到的二维t-FeTe和h-FeTe纳米片的厚度是随机的，因此，将带有t-FeTe和h-FeTe的硅基底放置在AFM测试平台上，然后采用AFM的PeakForce QNM模式，对t-FeTe和h-FeTe进行厚度测试。在形貌重复扫描直至AFM形貌图像不发生漂移时，，采用不同载荷对t-FeTe和h-FeTe进行循环加载，不同载荷下，样品的载荷-压印形变曲线重复良好，表明样品与硬质基地之间无滑移产生，获取可靠有效的力学测试数据。引入连续介质模型，对t-FeTe和h-FeTe纳米片的力学实验数据进行处理。以得到可信的t-FeTe和h-FeTe纳米片的杨氏模量。

图1a到图1h分别是t-FeTe和h-FeTe纳米片的光学图像，高分辨透射电子显微镜图像，选取电子衍射图像以及典型的拉曼光谱图像。

图2a和图2b分别是t-FeTe和h-FeTe纳米片在不同载荷循环加载下，样品的载荷-压印形变曲线。从图中可以看到，不同载荷循环加载下，t-FeTe和h-FeTe纳米片的载荷-压印形变曲线重合良好。总结图2，可以得到在不同载荷循环加载下，t-FeTe和h-FeTe纳米片与基底之间无滑移产生，得到的载荷-压印形变曲线真实可靠。

图3a和图3b是引入连续介质模型，对t-FeTe和h-FeTe纳米片的载荷-压印形变曲线进行分析，提取出t-FeTe和h-FeTe纳米片的杨氏模量，t-FeTe纳米片的杨氏模量为290.9±9.2GPa，h-FeTe的杨氏模量为106.5±22.5GPa，t-FeTe纳米片的杨氏模量大概是h-FeTe纳米片杨氏模量的2.7倍，t-FeTe和h-FeTe纳米片的杨氏模量具有明显差异。

图4a为样品首次力学性质测试的载荷-压印形变曲线。图4b为环境条件下，放置8小时后，样品的载荷-压印形变曲线。图4c为300nN载荷下，样品首次测试的载荷-压印形变曲线与环境条件下放置8小时后的载荷-压印形变曲线，重合性良好，表明样品在环境中是稳定存在的，力学性质不会发生明显变化。

本实施例仅为本发明一典型案例，其它如原材料使用人工合成的晶体、基底采用其他类似基底、工艺参数稍作调整和修改等，只要不偏离本发明的构思，均应属于本发明的保护范围。