Nat. Commun. : 调控悬空单层二维材料的失稳行为

研究背景

二维（2D）材料因其独特的平面原子结构和键合性质而具有许多引人注目的机械和物理特性，并引起了研究人员的极大兴趣。然而，悬空二维材料，尤其是单层材料，由于抗弯曲能力极低，几乎无法承受压缩。这意味着二维平面结构在受到几何约束时将发生面外形变，例如波纹、屈曲、起皱甚至折痕，这会对二维材料的机械、电和热性能产生重大影响。因此，它们的力学稳定性在设备应用中变得尤为重要，包括基于悬空二维材料的微/纳米机电系统（M/NEMS），谐振器/振荡器，纳米剪纸/折纸，电极和纳米通道。最近，由单层石墨烯不稳定性引起的褶皱被证明可以加速质子传输，这对调控悬空二维材料的失稳形态提出了新的要求。以往的实验研究通常聚焦于柔性基底支撑的二维材料失稳现象，然而其中界面的存在对二维材料的变形有显著影响。目前，悬空单层二维材料的失稳行为和恢复过程仍然缺乏原位表征和定量机械测量。

在实验中，应用可控的面外形变来调控悬空二维材料的失稳行为极具挑战。之前的研究首先通过控制边界条件并利用石墨烯的负热膨胀系数实现了悬空石墨烯层的可控屈曲。进一步观察到由自发和/或热产生的应变引起的的静态周期性褶皱和局部化皱痕（指初始褶皱可能分裂成周期减半褶皱）。在其他薄膜中也发现了类似的现象。然而，由于缺乏力学测量，悬空单层二维材料的失稳和恢复过程尚无法很好地量化。此外，褶皱和皱痕之间的过渡在调节薄膜的失稳行为中起着至关重要的作用，但在悬空单层二维材料中仍然难以捉摸。为了实现悬空二维材料失稳行为的控制，几个关键问题亟待解决。悬空单层二维材料的临界失稳条件是什么？如何调节它们的失稳形态？卸载外力后，二维材料是否会回溯到原来的状态？综上，迫切需要对二维材料失稳行为进行定量实验测量。

成果介绍

鉴于此，香港大学陆洋教授团队联合中国科学技术大学吴恒安教授团队发表了题为“Tuning instability in suspended monolayer 2D materials”的工作在Nature Communications期刊上。这篇报道中，通过采用推-剪策略实现了悬空二维材料（包括单层石墨烯和MoS2）的失稳行为定量调节。该报道全面研究了二维材料动态起皱—分裂—平滑过程，发现单层二维材料在剪切加载下经历逐级失稳过程。这些逐步的失稳特性受到材料的几何形状、预张力和非线性弹性性质影响。而实验中观测到不同的失稳和恢复路径可以归因于单层二维材料中的局部应力重新分布。悬空单层二维材料的可调失稳行为不仅可以用于测量其弯曲刚度，而且还为编程纳米级失稳形貌甚至调控原子薄膜的物理特性带来了新的机会。

图文导读

图 1：调控单层石墨烯的失稳行为的实验设置。示意图和相应的电子显微镜图像代表二维材料的四种基本力学实验：a. 拉伸、压缩、弯曲和b. 剪切。c. 采用机械推剪设计的单层二维材料的平面剪切实验原理。d. 剪切诱导的单层石墨烯可逆失稳原位图像和相应的三维形貌。e. 加载—卸载过程中的剪切力（应力）—应变曲线。

图 2：一级失稳和弯曲刚度测量。a. 单层石墨烯的一级失稳和恢复过程的原位图像。b. 从单层石墨烯（蓝色标记）和MoS2（红色标记）褶皱的两个主方向测量的归一化形貌曲线。c. 石墨烯和MoS2褶皱与水平方向之间的角度统计结果。d, e. 单层石墨烯不同弯曲刚度下的理论归一化起皱波长与剪切应变的关系。f. 实验测量的单层石墨烯和MoS2的弯曲刚度

图 图3. 二级失稳和逐步褶皱劈裂。a. 单层石墨烯的二次失稳和恢复过程的原位图像。b.首次起皱—分裂—二次起皱对应的加载路径。c. 二次起皱—振幅减小—二次起皱对应的卸载路径。d. 单层石墨烯一级和二级失稳期间理论归一化起皱波长与剪切应变的关系。e. 单层石墨烯的剪切应力—应变曲线。

图 4. MD模拟中加载和卸载过程的对比。a. 单层石墨烯面内剪切示意图。b. 加载和卸载路径。c. 加载和卸载过程中的平均剪切应力—应变曲线和d. 波长与剪切应变的关系。e. 不同剪切应变下的最小主应力场。右侧插图显示左侧虚线框中区域主应力分布云图。f. e 中虚线表示的截面处沿 ω 方向的挠度曲线和最小主应力分布。

总结展望

本报道的研究结果展示了一种用来控调控原子级薄膜的简便原位剪切技术，并实现了悬空单层二维材料中逐级失稳及其逆过程的原位观测。定量研究了逐级失稳的临界应力/应变，建立了褶皱形貌和剪切应变之间的定量关系。悬空二维材料的失稳形貌可以基于简单的力学原理进行设计，这也适用于其他原子级薄膜。本文也进一步探索了二维材料不同的失稳和恢复路径，它们分别由褶皱波长和振幅的变化所主导。分子动力学模拟表明不同路径归因于单层二维材料中的局部应力重新分布。该原位面内剪切技术为评估超薄薄膜材料的失稳和弯曲性能提供了一种实验力学范式。尽管本报道主要关注了失稳过程的力学行为，但其相关的局部应力/应变和曲率将在物理和化学应用中扮演重要角色，例如通过调节褶皱形态来控制质子传输和调节电子结构，以及对悬空二维材料电极的优化设计。该成果有望推进对原子级薄膜材料失稳特性的理解，并推动基于悬空二维材料的电子产品和器件的研发。

文献信息

Hou, Y., Zhou, J., He, Z. et al. Tuning instability in suspended monolayer 2D materials. Nat Commun 15, 4033 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48345-7

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48345-7