深圳先進(jìn)院聯(lián)合南洋理工研發(fā)出一種單層多晶石墨烯可控?cái)嗔鸭夹g(shù)
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院光子信息與能源材料研究中心副研究員陳明與新加坡南洋理工大學(xué)電子電氣工程系教授魏磊合作，研發(fā)出一種針對(duì)單層多晶石墨烯的可控?cái)嗔鸭夹g(shù)。相關(guān)結(jié)果以論文”Controlled fragmentation of single-atom-thick polycrystalline graphene”（單原子層厚度多晶石墨烯的可控?cái)嗔眩┰诰€發(fā)表于Cell姊妹刊Matter（DOI: 10.1016/j.matt.2019.11.004），陳明為第一作者，汪志勛為共同第一作者，魏磊是通訊作者。
在外加應(yīng)力條件下，例如通過(guò)傳統(tǒng)的拉伸方式（以PDMS等柔性材料作為基底）拉伸納米薄膜材料，在被拉伸的納米薄膜材料上形成的裂紋往往具有同時(shí)出現(xiàn)、隨機(jī)且不可控的特征，以此得到的圖案也總是無(wú)序的。這是因?yàn)榛撞牧系膽?yīng)變是全局分布的。這種全局分布的應(yīng)變通過(guò)基底與納米薄膜之間的粘附力及摩擦力傳遞給納米薄膜，使得薄膜內(nèi)多處缺陷同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而使這些缺陷處的局部應(yīng)力達(dá)到該材料的斷裂強(qiáng)度，形成裂紋并擴(kuò)展，這些擴(kuò)展的裂紋可能會(huì)進(jìn)一步和其他缺陷相互作用，改變裂紋的傳播路徑，最終形成納米薄膜上無(wú)序的斷裂圖案。
如果在拉伸納米薄膜的過(guò)程中，基底的應(yīng)變是局域分布且可控的，那么傳遞給納米薄膜的應(yīng)變也是局域分布且可控的，這使得納米薄膜的可控?cái)嗔鸦蛘邎D案化納米薄膜成為可能。
基于以上想法，團(tuán)隊(duì)聯(lián)想到了在熱塑性聚合物加工領(lǐng)域的頸縮工藝。該頸縮工藝是指在外加拉應(yīng)力作用下，熱塑性聚合物發(fā)生局部的頸縮現(xiàn)象，這種局部頸縮會(huì)在持續(xù)的拉應(yīng)力作用下移動(dòng)，且伴有強(qiáng)烈的局域應(yīng)變，使得頸縮經(jīng)過(guò)的部分寬度和厚度減小，長(zhǎng)度延長(zhǎng)，最終擴(kuò)展到整層聚合物。受此過(guò)程中動(dòng)態(tài)傳播的局域應(yīng)變的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種三明治結(jié)構(gòu)的單層多晶石墨烯及聚合物的復(fù)合體-聚碳酸酯/多晶石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯-并對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)便的頸縮工藝處理，最終觀察到了一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象：在頸縮未經(jīng)過(guò)的部分，石墨烯保持原貌；在頸縮經(jīng)過(guò)之后，石墨烯斷裂成有序且寬度一致的納米尺寸條帶。在整個(gè)過(guò)程中，石墨烯的斷裂伴隨著頸縮的傳播而有序的發(fā)生。
該技術(shù)除了可以作為一種簡(jiǎn)單易操作、低成本、耗時(shí)少的納米薄膜圖案化技術(shù)，還具有以下優(yōu)勢(shì)：得到的石墨烯納米帶具有成數(shù)千上萬(wàn)倍增加的活性邊界。利用這個(gè)優(yōu)異性質(zhì)，團(tuán)隊(duì)證明了相比于未經(jīng)有序斷裂處理的多晶石墨烯薄膜，獲得的石墨烯納米帶可以更加容易地進(jìn)行高濃度氮摻雜，制備成的pH化學(xué)傳感器靈敏度更高。這種可控的局域應(yīng)變技術(shù)，可以為定量研究各類缺陷在多晶石墨烯斷裂中的行為和影響提供宏量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步闡明缺陷的力學(xué)行為并為石墨烯的生長(zhǎng)和大規(guī)模應(yīng)用提供指導(dǎo)。
本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等科技項(xiàng)目支持。
論文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30340-6
利用局域應(yīng)變裁剪技術(shù)實(shí)現(xiàn)單層多晶石墨烯的可控?cái)嗔?/p>
