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石墨烯原子級層間剪切作用研究獲進展

        近日，中國科學院國家納米科學中心納米系統與多級次制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，表征了雙層石墨烯層間的范德華剪切作用，相關研究成果Measuring Interlayer Shear Stress in Bilayer Graphene(《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]，并作為當期的主編推薦論文(Editors' Suggestion)。該工作同時被作為焦點故事(Focus Story)在[Physics 10 (2017) 81]以《石墨烯在石墨烯上滑動》(Graphene Sliding on Graphene)為題報道，認為這項研究通過鼓泡方法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 (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) 。該研究工作得到了國家基礎研究計劃納米重大研發計劃、國家杰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，由于制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/聚合物復合材料、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于應用中功能特性的發揮以及服役可靠性方面至關重要，然而目前研究對于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；借助拉曼光譜和原子力顯微技術，可以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，zui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征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Horacio Espinosa對此研究給予高度評價，“該研究給出了一種精致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”。致力于納米摩擦學的德國萊布尼茲新材料研究所教授Roland Bennewitz認為該研究為理解石墨烯*的潤滑性能提供了定量的實驗基礎，并認為“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*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恒、北京大學教授魏悅廣、美國德克薩斯大學*分校教授黃銳等合作完成的。

　　該課題組近年來在科技部、國家自然科學基金委員會、中科院的支持下，在納米材料界面力學[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] 和納米復合材料設計[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] 等方面取得了多項研究進展和系列的研究成果。課題組以此為基礎，拓展了納米復合材料在重要領域的應用研究，開展了包括和國家電網、中國商飛、碳谷科技、德賽集團、中天科技等骨干行業企業的合作研發和產業化。

　　微納鼓泡力學實驗示意圖：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。