白云母作为一种典型的层状离子晶体,是二维层状材料领域关注的重点之一。研究发现,超薄白云母具有新颖的电子特性,能够显著提升有机场效应管的性能。然而,其机械性质却被认为仍遵循宏观理论。考虑到应力的产生及传导机制,不难理解二维层状材料可能具有新颖的机械性质。这将为减缓微米及纳米电-机系统的机械故障带来新的策略和希望。研究已知,~90%的机械故障源于材料疲劳。材料疲劳与系统的稳定性和可靠性密切相关,是导致元器件失效的一个重要因素。因此,二维层状材料的疲劳研究已成为必需。本论文以白云母为研究对象,利用原子力显微技术在埃尺度下系统地研究了表面原子层的疲劳现象。本文通过AFM探针对白云母表面施加一定的垂直负载,针对性地设计实施了一系列实验,并实时观测了表面原子层在外加负载作用下的变化情况。AFM实验结果表明,白云母表面原子层疲劳具有特殊属性。首先,与单调依赖于垂直负载的宏微观疲劳不同,白云母表面原子层疲劳对垂直负载存在着显著的不连续依赖性。并且,这种不连续依赖性还划分出了三个不同的疲劳区域:2.3埃、4.4埃及10埃原子层疲劳。最为重要的是,本研究发现在4.17±0.01 GPa和4.84±0.01 GPa这两个极其特殊的的垂直负载下,白云母的疲劳寿命趋于无限长。这种“超出材料的屈服强度却不发生任何破损”的现象,从未在宏微观尺度上发现过,属于原子层疲劳特有的性质。其次,本研究还发现,白云母表面原子层的疲劳寿命对扫描速率存在着显著的非线性依赖性。但是,扫描速率并不会影响原子层疲劳对垂直负载的不连续依赖性,同时也不会对疲劳深度及Basquin指数等造成显著影响。这些新颖的原子层疲劳行为无法用现有模型进行解释。因此本论文在AFM实验基础上,对白云母表面原子层疲劳开展了理论研究。通过理论分析应力的起源及分布情况,本文证明了摩擦剪切应力是表面原子层疲劳过程中的主导应力。同时,本文还设计实施AFM实验对此进行了验证。在此基础上本文还认为,原子空穴及非对称性电荷分布是导致这些独特现象的主要因素。因此,本文比较了两种不同云母(白云母和金云母)的疲劳行为,从而证实了原子结构对原子层疲劳的影响。本研究指出,只有在摩擦剪切应力和原子空穴等的作用下,表面原子层疲劳才会出现“超出材料的屈服强度却不发生任何破损”的独特行为,并对垂直负载及扫描速率存在着显著的依赖性。同时本研究还指出,要得到具有超级抗疲劳特性的材料,不仅需要加强材料表面相互作用的强度,还需要加强材料内部相互作用的强度。综上所述,本文发现埃尺度下的二维层状材料具有独特的疲劳特性。目前,二维层状材料新颖的电热学性质使得其在电子领域有着广泛的应用前景。同样,这些新颖的机械性质也将有助于在原子尺度上深入理解物理原理,并极大地推动纳米电机领域的发展。因此,本研究既具有重要的科学意义,又具有巨大的应用价值。本论文的主要创新点在于:(1)在埃尺度下实时观测了表面三种不同原子层的疲劳过程,并获得了原子级分辨率的AFM图像;(2)观测到了“超出材料的屈服强度却不发生任何破损”的新现象;及(3)从理论上探究了这些独特的疲劳行为的起源,揭示了原子层疲劳与主导应力及原子结构的内在关联。