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石墨烯原子级层间剪切作用研究获进展

        近日,中国科学院国家纳米科学中心纳米系统与多级次制造重点实验室研究员张忠、刘璐琪和清华大学教授徐志平合作,设计和发展了微纳鼓泡力学实验技术,精确表征了双层石墨烯层间的范德华剪切作用,相关研究成果Measuring Interlayer Shear Stress in Bilayer Graphene(《测试双层石墨烯层间剪切阻力》)发表在《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 119 (2017) 036101],并作为当期的主编推荐论文(Editors' Suggestion)。该工作同时被作为焦点故事(Focus Story)在[Physics 10 (2017) 81]以《石墨烯在石墨烯上滑动》(Graphene Sliding on Graphene)为题报道,认为这项研究通过鼓泡方法首次测量了石墨烯层间剪切力,获得了石墨烯器件的一个重要参量 (Creating a bulge in a graphene sheet offers the first measurement of the shear forces between graphene layers, an essential factor in many graphene-based devices) 。该研究工作得到了国家基础研究计划纳米重大研发计划、国家杰出青年科学基金等的支持。

 

  二维材料表现出多种优异和新奇的特性,得到了广泛关注和研究。实际上,由于制备技术的限制或者功能设计的需要,目前在应用中单原子层的二维材料往往堆叠成多层结构,多层石墨烯/聚合物复合材料、多级次层状结构二维材料电容器、多层二维材料异质结等是比较常见的例子。作为“表界面”材料,多层二维材料层间的界面范德华作用对于应用中功能特性的发挥以及服役可靠性方面至关重要,然而目前研究对于二维材料层间变形和作用的关键参数知之甚少。该研究团队巧妙地设计了微纳鼓泡实验方法,通过均匀地调控微纳孔内外的压力差,控制孔上单层/双层石墨烯的鼓起,从而实现“拉拽”孔外基底吸附的单层/双层石墨烯向微孔中心产生滑移;在双层石墨烯鼓泡实验中,与下层石墨烯和二氧化硅基底之间的界面作用相比,石墨烯层间界面有着更弱的剪切阻力;借助拉曼光谱和原子力显微技术,可以精确地测量层间剪切变形场随着压力增大而扩展,结合实验分析、理论计算和分子动力学模拟,最终获得双层石墨烯层间的剪切阻力约为40千帕斯卡;这比用相同实验技术测得的单原子层石墨烯和氧化硅基底的剪切阻力低了大约40倍。该工作提供了一种新颖可控的实验技术来表征二维材料层间范德华剪切作用,进而帮助理解二维材料层间的润滑作用,同时也为二维材料的应变工程提供了新的思路。

 

  美国西北大学的微纳米力学专家、欧洲科学院及俄罗斯科学院院士Horacio Espinosa对此研究给予高度评价,“该研究给出了一种精致和新颖的实验技术来测量二维材料层间及和基底的界面性能,研究结果将为器件和材料设计提供新的机遇”。致力于纳米摩擦学的德国莱布尼兹新材料研究所教授Roland Bennewitz认为该研究为理解石墨烯优越的润滑性能提供了定量的实验基础,并认为“这项研究作为基石,为相关的原子尺度模拟提供了可靠的实验结果,进而人们可以更好地理解石墨烯优异的润滑效果”。

 

  论文的共同第一作者是在国家纳米中心联合培养的中国科学技术大学博士研究生汪国睿及中科院力学研究所研究生戴兆赫。该研究工作是和中科院半导体研究所研究员谭平恒、北京大学教授魏悦广、美国德克萨斯大学奥斯汀分校教授黄锐等合作完成的。

 

  该课题组近年来在科技部、国家自然科学基金委员会、中科院的支持下,在纳米材料界面力学[Compos. Sci. Technol. 149 (2017) 220; Compos. Sci. Technol. 136 (2016) 1; ACS Appl. Mater. Inter. 8 (2016) 22554; Carbon 86 (2015) 69; Compos. Sci. Technol. 77 (2013) 101; Polymer 54 (2013) 456] 和纳米复合材料设计[Small 29 (2017) in press; Carbon 121 (2017) 544; Carbon 121 (2017) 490; Adv. Funct. Mater. 26 (2016) 7003; Adv. Funct. Mater. 26 (2016) 303; Small 12 (2016) 3327; ACS Appl. Mater. Inter. 8 (2016) 311; Sci. Rep. 6 (2016) 32989; Sci. Rep. 6 (2016) 18930; Nanoscale 7 (2015) 9252; Carbon 94 (2015) 101; Nanoscale 6 (2014) 6932; Nanoscale 5 (2013) 12171; Small 9 (2013) 2466] 等方面取得了多项研究进展和系列的研究成果。课题组以此为基础,拓展了纳米复合材料在重要领域的应用研究,开展了包括和国家电网、中国商飞、碳谷科技、德赛集团、中天科技等骨干行业企业的合作研发和产业化。

 

 

  微纳鼓泡力学实验示意图:这个剖面图展示了原子级厚度的双层石墨烯被覆盖在一个微米孔上,通过精确控制孔内外空气的压力差使石墨烯凸起,测量孔周围剪切应变场的扩展,可以获得双层石墨烯层间的剪切阻力。上层石墨烯应变场(蓝色)的扩展速率要比下层石墨烯(黄色)大得多。



 

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