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。 |