近日，浙江大学交叉力学中心基于拉曼光谱法对石墨烯中的裂纹扩展和断裂韧性进行了研究。相关成果以“Crack Propagation and Fracture Toughness of Graphene Probed by Raman Spectroscopy”为题见刊于《ACS Nano》（ACS Nano, 2019, 13(9): 10327-10332）。

断裂是固体材料最基本的问题之一。作为只有单个原子厚度的晶体，石墨烯的断裂力学在许多方面都具有很高的意义，例如裂纹扩展及其断裂韧性。

在这项工作中，我们提出了一种使用拉曼光谱研究石墨烯的断裂特性的方法，并设计了具有预设裂纹的化学气相沉积单层石墨烯。通过精细调控时间参数在多个石墨烯晶畴生长至连成一整片单层薄膜前停止，留下的狭窄的间隙即裂纹，从而得到具有预设裂纹的石墨烯样品。在来自底层柔性基板的轻微载荷下，实验观察到了石墨烯中裂纹的动态传播。基于拉曼光谱在检测晶格变化方面的高灵敏度，我们成功地获得了裂纹尖端周围的应变分布，并使用格里菲斯（Griffith）准则得到多晶石墨烯的断裂韧性，。这与先前报道的理论和实验值相符。我们认为这种利用拉曼光谱法表征石墨烯断裂的简单易操作的方法还可以扩展到其他二维材料。

图1. 裂纹的OM图像以及其传播示意图。应变值为基底的名义应变。蓝色和红色箭头分别表示裂纹尖端和裂纹扩展方向骤变的位置。比例尺为a：5 μm，其他图像中的所有比例都与a中的相同。载荷沿图像的水平方向。

图2. 石墨烯裂纹尖端附近的应力的拉曼光谱分析。（a）拉曼2D峰演化与石墨烯固有应变的关系。（b）用于拉曼映射的裂纹尖端区域的OM图像，用红色虚线框出。（c，d）拉曼2D峰频率的轮廓和（b）中框出区域的应力分布。裂纹尖端在两个图中都用虚线曲线标记。

图3. 石墨烯断裂韧性的理论和实验值。