扶手椅边缘二硫化钼纳米带的机械性能
纳米带边缘的特性对于其在电子设备、传感器和催化剂中的应用非常重要。最近，来自日本和中国的一组科学家利用原位透射电子显微镜研究了具有扶手椅边缘的单层二硫化钼纳米带的机械响应。他们表明，纳米带杨氏模量在宽度低于 3 nm 时与其宽度成反比，表明扶手椅边缘具有更高的粘合刚度。
传感器在现代世界中已经无处不在，其应用范围从检测爆炸物、无创测量葡萄糖或皮质醇的生理峰值到估计大气中的温室气体水平。传感器所需的主要技术是机械谐振器。传统上，石英晶体由于其高刚性和易于获得而被用于此目的。然而，这项技术最近已经让位于先进的纳米材料。其中一种有前景的材料是单壁二硫化钼(MoS2 )纳米带。
表征纳米带边缘的物理和化学性质对于其在电子设备、传感器和催化剂中的应用至关重要。然而，MoS 2纳米带的机械响应(预计取决于其边缘结构)仍未得到探索，这阻碍了它们在薄谐振器中的实际应用。
在此背景下，由日本先进科学技术研究所(JAIST)Yoshifumi Oshima教授领导的一个来自日本和中国的科学家小组最近研究了单层MoS 2 纳米带的机械性能，即杨氏模量，使用微机械测量方法将扶手椅边缘作为其宽度的函数。
他们的研究成果发表在《Advanced Science》杂志上，由 JAIST 副教授 Kenta Hongo 和 Ryo Maezono 教授以及中国郑州大学讲师 Chunmeng Liu 和讲师 Jiaqi Zhang 共同撰写。
Oshima 教授详细描述了他们的工作：“我们开发了世界上第一个微机械测量方法，通过将基于石英的长度延伸谐振器 (LER) 结合到一个微机械测量方法中，阐明原子级材料的原子排列与其机械强度之间的关系。原位透射电子显微镜 (TEM) 支架。”由于石英谐振器在感测到与材料接触时谐振频率会发生变化，因此可以通过该谐振频率的变化高精度地估计材料的等效弹簧常数。此外，由于测量所需的LER振动幅度小至27 pm，因此可以捕获高分辨率TEM图像。因此，研究人员开发的新方法克服了传统技术的缺点，实现了高精度测量。
研究人员首先通过使用钨尖剥离MoS 2多层折叠边缘的最外层来合成单层MoS 2纳米带。结果，单层纳米带被支撑在多层纳米带和尖端之间。该MoS 2纳米带的TEM图像显示其边缘具有扶手椅结构。“还从图像中测量了纳米带的宽度和长度，并根据 LER 的频移确定了相应的等效弹簧常数，以获得该纳米带的杨氏模量，”讲师刘春萌解释道。
研究人员发现，具有扶手椅边缘的单层MoS 2纳米带的杨氏模量取决于其宽度。虽然对于较宽的带，它保持恒定在 166 GPa 左右，但对于宽度低于 3 nm 的带，它与宽度呈反比关系，随着纳米带宽度从 2.4 nm 减小到 1.1 nm，从 179 GPa 增加到 215 GPa。研究人员将此归因于边缘比内部具有更高的粘合刚度。
此外，研究人员为解释他们的观察结果而进行的密度泛函理论计算表明，Mo原子在扶手椅边缘弯曲，导致电子转移到两侧的S原子。这反过来又增加了两个原子之间的库仑吸引力，增强了边缘强度。
因此，这项研究为MoS 2纳米带的机械性能提供了重要的启示，这可以促进纳米级超薄机械谐振器的设计。“基于这种谐振器的纳米传感器可以集成到智能手机和手表中，这将使人们能够监控他们的环境，并以数值的形式传达味觉和嗅觉，”乐观的讲师张嘉琪总结道。
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