六方氮化硼（h-BN）是一种具有宽带隙的半导体材料，在微电子学、质量和力传感领域作为纳米声纳元件具有巨大潜力。本文利用分子动力学模拟研究了双层 h-BN 纳米片在五种不同堆叠模式下的力学性能和固有频率。研究了所有五种堆叠模式下的力学性能，包括杨氏模量、极限应力、极限应变、泊松比和剪切模量。此外，还研究了应变速率、晶体取向和温度对双层 h-BN 纳米片拉伸性能的影响。我们的研究结果表明，双层 h-BN 纳米片基本上是一种各向异性材料，其拉伸特性随堆叠模式和温度的变化而有很大不同。此外，我们还根据非局部理论以明确的形式提出了自然频率。不同堆叠模式的基本固有频率差异受到双层 h-BN 薄膜约束条件的影响。理论结果与模拟结果十分吻合。这些发现建立了对双层 h-BN 纳米片在五种不同堆叠模式下的力学行为和振动特性的基本认识，有利于其在先进纳米器件中的应用。

众所周知，科学技术的进步在很大程度上是由石墨烯、金刚石、MoS2 和氮化硼等新型纳米材料推动的。在过去的二十年里，由于纳米结构材料表现出的优异性能，许多纳米级功能器件被探索出来，这为各个科学和工程领域提供了许多新的机遇。例如，表现出超高振动响应的金刚石纳米颗粒有望用作纳米级质量传感器；具有良好压电特性的氮化硼纳米管无机复合材料有望用作纳米发电机；可检测惰性气体的方形石墨烯薄片可用作质量传感器，检测稀有气体和其他物质。所有这些例子都表明，纳米级结构材料在传感器、探测器和纳米机电系统（NEMS）方面具有广阔的应用前景。

氮化硼是一种结构与石墨烯相似的单层纳米材料，最近引起了人们的极大兴趣。作为石墨烯的Ⅲ-Ⅴ族二元化合物，氮化硼也是一种典型的二维纳米材料，它有四种氮化硼形态：六方氮化硼（h-BN）、立方氮化硼（c-BN）、涡方氮化硼（w-BN）和斜方氮化硼（r-BN）。H-BN 具有与石墨烯相似的结构特性，以及高化学稳定性、高弹性模量、低质量密度和优异的热性能。这些独特的特性表明，h-BN 作为一种前景广阔的纳米材料，在微电子学、光电子学、传感等领域具有相当大的潜力，可以表现出卓越的性能。此外，与石墨烯相比，h-BN 还具有许多独特的性质。例如，与石墨烯的零带隙相比，h-BN 具有非常宽的带隙，这使其成为宽带隙二维 NEMS 中的一种有前途的谐振器。研究还发现，纳米机械谐振器可以轻松实现极高的谐振频率，甚至高达千兆赫兹，即使在芯片上的极小区域也是如此。此外，由于 h-BN 的压电特性，其谐振频率可通过施加外部电场进行有效调节，这表明 h-BN 可用于设计新型压电可调二维纳米谐振器。

此外，h-BN 还具有更高的热导率、更强的抗辐射能力和更大的电子饱和漂移速度等优异特性，使其更适用于高温、高功率、高电压和强辐射等极端环境。

迄今为止，关于单层 h-BN 纳米片的力学性能和振动特性已有大量研究，例如其在电场影响下的振动行为、温度和应变率对单层 h-BN 纳米片拉伸性能的影响。关于氮化硼纳米管的研究也很多，如氮化硼纳米管的轴向拉伸变形行为、扭转特性和轴向弹性特性等。但值得注意的是，虽然氮化硼晶体与石墨烯非常相似，但氮化硼晶体是一种蜂窝状结构的原子薄膜堆栈，其中硼（B）和氮（N）原子可以在晶格蜂窝结构中占据不同的位置。此外，虽然单层 h-BN 纳米片的结构与石墨烯几乎相同，但在双层 h-BN 纳米片的层间库仑相互作用下，极性 B 原子和 N 原子可能具有不同的堆积模式，从而形成五种不同的堆积模式。然而，人们对不同堆叠模式下双层 h-BN 纳米片的力学性能和振动特性还缺乏全面的了解。因此，基于单层 h-BN 纳米片和纳米管的各种特性，进一步研究双层 h-BN 纳米片的拉伸和振动特性是非常必要的。

参考文献来自：https://www.nature.com/articles/s41598-024-61486-5