TEM プロービング、AFM ナノメカニカルマッピング、理論計算により明らかになった TiC MXene ナノシートのヤング率と引張強さ

Young's Modulus and Tensile Strength of TiC MXene Nanosheets As Revealed by TEM Probing, AFM Nanomechanical Mapping, and Theoretical Calculations.

• Konstantin L Firestein
• Joel E von Treifeldt
• Dmitry G Kvashnin
• Joseph F S Fernando
• Chao Zhang
• Alexander G Kvashnin
• Evgeny V Podryabinkin
• Alexander V Shapeev
• Dumindu P Siriwardena
• Pavel B Sorokin
• Dmitri Golberg

抄録

二次元遷移金属炭化物であるMXene、特にTiCは、その優れた特性の組み合わせにより注目を集めている。TiCナノシートは、将来のフレキシブルエレクトロニクス、エネルギー貯蔵、電気機械ナノデバイスのための選択材料となる可能性があります。しかし、その利用に不可欠なTiCの機械的特性については、これまでほとんど情報が得られていませんでした。我々は、透過型電子顕微鏡内での直接引張試験、定量的なナノメカニクスマッピング、機械学習法を用いた理論計算を用いて、TiCナノシートを作製し、その機械的性質を調べました。その結果、TiC基底面に垂直な方向のヤング率は80〜100GPaであることがわかった。TiCナノシートの引張強さは、約40nmの薄いナノフレークで670MPaに達し、ナノシートの厚さに強い依存性があることが示された。理論計算により、ナノシートの幾何学的パラメータと構造欠陥濃度の関数としてのTiCの機械的特性を研究することができた。

Two-dimensional transition metal carbides, that is, MXenes and especially TiC, attract attention due to their excellent combination of properties. TiC nanosheets could be the material of choice for future flexible electronics, energy storage, and electromechanical nanodevices. There has been limited information available on the mechanical properties of TiC, which is essential for their utilization. We have fabricated TiC nanosheets and studied their mechanical properties using direct tensile tests inside a transmission electron microscope, quantitative nanomechanical mapping, and theoretical calculations employing machine-learning derived potentials. Young's modulus in the direction perpendicular to the TiC basal plane was found to be 80-100 GPa. The tensile strength of TiC nanosheets reached up to 670 MPa for ∼40 nm thin nanoflakes, while a strong dependence of tensile strength on nanosheet thickness was demonstrated. Theoretical calculations allowed us to study mechanical characteristics of TiC as a function of nanosheet geometrical parameters and structural defect concentration.