近日，中國科學院深圳先進技術(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電子電氣工程系教授魏磊合作，研發(fā)出一種針對單層多晶石墨烯的可控斷裂技術(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斷裂）在線發(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。
在外加應力條件下，例如通過傳統(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出現(xiàn)、隨機且不可控的特征，以此得到的圖案也總是無序的。這是因為基底材料的應變是全局分布的。這種全局分布的應變通過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)多處缺陷同時產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，從而使這些缺陷處的局部應力達到該材料的斷裂強度，形成裂紋并擴展，這些擴展的裂紋可能會進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序的斷裂圖案。
如果在拉伸納米薄膜的過程中，基底的應變是局域分布且可控的，那么傳遞給納米薄膜的應變也是局域分布且可控的，這使得納米薄膜的可控斷裂或者圖案化納米薄膜成為可能。
基于以上想法，團隊聯(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，這種局部頸縮會在持續(xù)的拉應力作用下移動，且伴有強烈的局域應變，使得頸縮經(jīng)過的部分寬度和厚度減小，長度延長，最終擴展到整層聚合物。受此過程中動態(tài)傳播的局域應變的啟發(fā)，團隊設計了一種三明治結(jié)構(gòu)的單層多晶石墨烯及聚合物的復合體-聚碳酸酯/多晶石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯-并對其進行了簡便的頸縮工藝處理，最終觀察到了一個非常有趣的現(xiàn)象：在頸縮未經(jīng)過的部分，石墨烯保持原貌；在頸縮經(jīng)過之后，石墨烯斷裂成有序且寬度一致的納米尺寸條帶。在整個過程中，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單易操作、低成本、耗時少的納米薄膜圖案化技術(shù)，還具有以下優(yōu)勢：得到的石墨烯納米帶具有成數(shù)千上萬倍增加的活性邊界。利用這個優(yōu)異性質(zhì)，團隊證明了相比于未經(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行高濃度氮摻雜，制備成的pH化學傳感器靈敏度更高。這種可控的局域應變技術(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驗數(shù)據(jù)，可以進一步闡明缺陷的力學行為并為石墨烯的生長和大規(guī)模應用提供指導。
本研究工作得到了國家自然科學基金等科技項目支持。
利用局域應變裁剪技術(shù)實現(xiàn)單層多晶石墨烯的可控斷裂
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