Assessing the fracture toughness of graphene by in situ AFM mechanical testing

作者
Elli Bellou,Maria Giovanna Pastore Carbone,Anastasios C. Manikas,Costas Galiotis
出处
期刊:Advanced composites and hybrid materials [Springer Science+Business Media]
卷期号:9 (4)
标识
DOI:10.1007/s42114-026-01821-8
摘要

Abstract Graphene-related materials exhibit exceptional intrinsic mechanical properties, yet their practical deployment is critically limited by defects that trigger premature failure. Here, we present the first direct coupling of high-resolution Atomic Force Microscopy (AFM) topographic imaging with micro-tensile testing to observe in real-time crack initiation and propagation in monolayer and few-layer graphene produced via mechanical exfoliation on compliant substrates. Artificially introduced nanoscale defects serve as controlled proxies for inevitable imperfections in real-world devices, revealing crack initiation at remarkably low strains − 0.45% in monolayers and 0.62% in few-layer graphene. Quantitative analysis shows that few-layer graphene exhibits a higher fracture toughness (11.0 ± 2.3 MPa·m 1/2 ) than monolayers (7.97 ± 2.10 MPa·m 1/2 ), along with intrinsic mechanisms that impede crack advance. These results establish the first direct in situ quantification of fracture mechanics in supported graphene, bridging atomic-scale defect behaviour with macroscopic reliability. By revealing how nanoscale defects govern failure pathways, this work provides essential design principles for defect-tolerant graphene-based nanodevices and structural materials.

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