石墨烯原子級層間剪切作用研究獲進展

北極星儲能網訊:近日，中國科學院國家納米科學中心納米系統與多級次製造重點實驗室研究員張忠、劉璐琪和清華大學教授徐志平合作，設計和發展了微納鼓泡力學實驗技術，精確表徵了雙層石墨烯層間的范德華剪切作用，相關研究成果MeasuringInterlayerShearStressinBilayerGraphene(《測試雙層石墨烯層間剪切阻力》)發表在《物理評論快報》[Phys.Rev.Lett.119(2017)036101]，並作為當期的主編推薦論文(EditorsSuggestion)。該工作同時被作為焦點故事(FocusStory)在[Physics10(2017)81]以《石墨烯在石墨烯上滑動》(GrapheneSlidingonGraphene)為題報道，認為這項研究通過鼓泡方法首次測量了石墨烯層間剪切力，獲得了石墨烯器件的一個重要參量(Creatingabulgeinagraphenesheetoffersthefirstmeasurementoftheshearforcesbetweengraphenelayers,anessentialfactorinmanygraphene-baseddevices)。該研究工作得到了國家基礎研究計劃納米重大研發計劃、國家傑出青年科學基金等的支持。

二維材料表現出多種優異和新奇的特性，得到了廣泛關注和研究。實際上，由於製備技術的限制或者功能設計的需要，目前在應用中單原子層的二維材料往往堆疊成多層結構，多層石墨烯/聚合物複合材料、多級次層狀結構二維材料電容器、多層二維材料異質結等是比較常見的例子。作為「表界面」材料，多層二維材料層間的界面范德華作用對於應用中功能特性的發揮以及服役可靠性方面至關重要，然而目前研究對於二維材料層間變形和作用的關鍵參數知之甚少。該研究團隊巧妙地設計了微納鼓泡實驗方法，通過均勻地調控微納孔內外的壓力差，控制孔上單層/雙層石墨烯的鼓起，從而實現「拉拽」孔外基底吸附的單層/雙層石墨烯向微孔中心產生滑移；在雙層石墨烯鼓泡實驗中，與下層石墨烯和二氧化硅基底之間的界面作用相比，石墨烯層間界面有著更弱的剪切阻力；藉助拉曼光譜和原子力顯微技術，可以精確地測量層間剪切變形場隨著壓力增大而擴展，結合實驗分析、理論計算和分子動力學模擬，最終獲得雙層石墨烯層間的剪切阻力約為40千帕斯卡；這比用相同實驗技術測得的單原子層石墨烯和氧化硅基底的剪切阻力低了大約40倍。該工作提供了一種新穎可控的實驗技術來表徵二維材料層間范德華剪切作用，進而幫助理解二維材料層間的潤滑作用，同時也為二維材料的應變工程提供了新的思路。

美國西北大學的微納米力學專家、歐洲科學院及俄羅斯科學院院士HoracioEspinosa對此研究給予高度評價，「該研究給出了一種精緻和新穎的實驗技術來測量二維材料層間及和基底的界面性能，研究結果將為器件和材料設計提供新的機遇」。致力於納米摩擦學的德國萊布尼茲新材料研究所教授RolandBennewitz認為該研究為理解石墨烯優越的潤滑性能提供了定量的實驗基礎，並認為「這項研究作為基石，為相關的原子尺度模擬提供了可靠的實驗結果，進而人們可以更好地理解石墨烯優異的潤滑效果」。

論文的共同第一作者是在國家納米中心聯合培養的中國科學技術大學博士研究生汪國睿及中科院力學研究所研究生戴兆赫。該研究工作是和中科院半導體研究所研究員譚平恆、北京大學教授魏悅廣、美國德克薩斯大學奧斯汀分校教授黃銳等合作完成的。

意圖：這個剖面圖展示了原子級厚度的雙層石墨烯被覆蓋在一個微米孔上，通過精確控制孔內外空氣的壓力差使石墨烯凸起，測量孔周圍剪切應變場的擴展，可以獲得雙層石墨烯層間的剪切阻力。上層石墨烯應變場(藍色)的擴展速率要比下層石墨烯(黃色)大得多。

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