国家纳米科学中心在二维材料范德华界面力学研究取得新进展

近日,国家纳米科学中心张忠研究员、刘璐琪研究员团队在范德华界面力学行为研究方面取得重要进展(www.51879.cn)。相关研究成果以“Elastocapillary cleaning of twisted bilayer graphene interfaces”在线发表于Nature Communications (12, 5069, 2021. https://doi.org/10.1038/s41467-021-25302-2)。

以石墨烯为代表的二维材料具有优异的力、电、光、热等物性。通过逐层堆垛组装构筑的范德华同质/异质结体系可进一步拓展其性能,如特定角度堆叠的双层转角石墨烯表现出超导、超滑等物理力学行为。由于二维材料的大比表面积特性,在构筑范德华同质/异质结过程中,不可避免地夹杂空气中水分子等杂质并聚集形成微纳米尺度鼓泡。一方面受到污染的范德华界面预期会显著降低微纳米器件的性能。另一方面,这种微纳米尺度鼓泡具有高压、限域、大变形等特征,为二维材料应变工程、高压化学、限域催化、电镜下液体池等多领域提供了新的研究契机。因此,如何克服鼓泡污染实现范德华界面原子级洁净、鼓泡应变大小及分布、压差等因素是二维材料制备、转移、物性测量及应用中不可回避的关键问题。

针对同质/异质范德华材料界面力学行为难于测量与表征这一难题。研究团队提出角度可控范德华同质/异质结构筑新策略,实现了转角双层石墨烯制备(ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2020; 12(36): 40958-67)。该工作中,研究团队借助侧向力显微镜技术表征转角石墨烯莫尔云纹,实现了对范德华界面洁净度的可视化表征。借助毛细力辅助转移技术引入水、乙醇等介质构筑了纳米级液泡。在弹性能和界面能竞争机制下纳米液泡呈现几何自相似性,具有特定弹性毛细参数。在探针力的激励下石墨烯范德华界面表现出自清洁现象;得益于液泡的边缘失稳,相邻液泡间发生“长程”作用诱导纳米液泡发生自发融合。研究揭示了不同于传统奥斯特瓦尔德熟化机制下二维材料弹性能对融合过程的影响和贡献。通过理论分析结合微孔鼓泡实验技术,进一步研究了预张力对弹性毛细参数和液泡间“长程”相互作用影响及调控,相关机制得到分子动力学模拟支持和验证。

张忠研究员课题组长期致力于低维微纳米材料及结构力学行为研究,在该领域有着深厚的研究经验积累。通过自主搭建的微纳米尺度鼓泡技术-原子力显微术-显微拉曼光谱联用测试表征技术平台,近5年先后实现了双层石墨烯层间范德华界面可控剪切变形与界面剪切应力测量(Phys. Rev. Lett. 2017);揭示界面强弱差异对微纳米尺度鼓泡应变分布及大小的影响,提出预测纳米尺度不同形状鼓泡应变大小和分布的理论解(Phys. Rev. Lett. 2018,封面);实现了纳米级厚度二维材料弯曲刚度实验测量。由于层间范德华界面剪切变形和滑移影响,材料本征力学参数弯曲刚度和杨氏模量表现为独立力学参量,传统薄板理论中弯曲刚度与厚度关系不再适用(Phys. Rev. Lett. 2019, 封面);并对以上研究成果在应变工程、纳米复合材料等领域的影响进行了评述,揭示微纳米尺度界面力学在多学科领域研究中的重要影响(Adv. Mater. 2019, Compos. A 2021)。

中国科学技术大学在国家纳米中心联合培养侯渊博士、美国德州大学奥斯丁分校戴兆贺博士、清华大学张帅博士为论文共同第一作者,分子动力学模拟由清华大学冯诗喆博士完成。国家纳米科学中心刘璐琪研究员、张忠研究员,清华大学李群仰教授、徐志平教授为该工作的通讯作者。该系列工作先后得到了国家自然科学基金委项目重大和重点项目、中科院战略性先导科技专项B类、科技部重大科学研究计划等项目的共同资助。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-25302-2。

图: 转角双层石墨烯包裹纳米液泡示意图、受力分析、侧向力显微镜技术表征相邻纳米液泡的融合过程

来源:国家纳米中心

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