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上海奥门新萄京8455机械与动力工程学院张文明教授团队在Advanced Functional Materials发表多尺度共形褶皱功能表面研究成果

近日,上海奥门新萄京8455机械与动力工程学院张文明教授团队在Advanced Functional Materials上发表了题为“Delamination-free functional graphene surface by multi-scale, conformal wrinkling”的研究论文,提出了一种单层石墨烯后固化转移方法,构筑了无分层式多尺度石墨烯共形褶皱功能表面,阐明了高温后固化工艺引入梯度界面层的化学成因,揭示了界面黏合强度增强效应的力学机理,有效地解决了多层硬膜-软基系统中的分层失效难题。机械与动力工程学院博士后胡开明和中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士生刘运启为该文共同第一作者,张文明教授、化学与化工学院姜学松研究员、中国科学院上海微系统与信息技术研究所狄增峰研究员为共同通讯作者。

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屈曲分层行为

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褶皱-分层转换行为

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无分层褶皱后屈曲行为

褶皱结构在自然界与人造系统中广泛存在,如人体皮肤褶皱、气道黏膜、手指指纹、干枯水果表皮、地质岩层与褶皱连衣裙等。共形褶皱结构是在传统硬膜-软基系统中引入一层可控表皮层,通过调节表皮层的厚度、杨氏模量等物理参数可精准地控制硬膜层褶皱特性,进而可极大改善微纳米器件表面的表面浸润性、光学、力学、电学和化学活性等功能,对其在智能表面、微纳制造、柔性器件构筑和材料物性表征等方面的应用至关重要。

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(a)可逆的多尺度石墨烯共形褶皱功能表面; (b) 三维形貌表征;(c-d) 多层系统中梯度界面层的化学成因

高质量、大面积共形褶皱结构制造关键在于可控的层间应力失配和良好的共形接触。然而,层间应力失配会诱发功能层-表皮层-软基多层系统层间滑移和局部分层现象,极大地影响了层间共形接触状态,甚至直接导致微纳米器件整体失效,严重制约了共形褶皱功能表面在器件性能调控方面的应用。张文明团队联合姜学松团队和狄增峰团队,针对石墨烯共形褶皱制造技中传统湿法转移工艺引入的分层失效难题,提出了一种显著增强石墨烯/PMMA/PDMS层间界面黏合强度的后固化制备方法,有效地消除传统工艺分层失效现象。上述后固化工艺可重复性和通用性强、稳定性好,可用于其他二维材料的应力工程领域。

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不同制造工艺下褶皱表面图案对比研究:(a) 传统湿法转移;(b)传统湿法转移工艺,低温多步平坦化工艺;(c) 后固化工艺。

为了揭示后固化工艺显著增强界面黏合强度的力学与化学机理,胡开明等人分别建立了屈曲分层行为、褶皱-分层转换行为、无分层式后屈曲行为等表面失稳行为的内聚力模型,推导出不同表面失稳行为之间临界应力和临界界面黏合强度条件,阐明了后固化工艺增强界面黏合强度的力学机理;进一步对石墨烯/PMMA-PDMS界面进行了切面表征,发现了在PMMA与PDMS之间形成一层分子链不同程度交错的梯度界面,其原因为高温后固化工艺加速了高分子链的布朗运动,揭示了界面黏合强度的化学成因。此外,对比分析不同制造工艺的褶皱表面特征,并结合实验现象和屈曲失稳力学理论模型,厘清了共形褶皱的多尺度性与梯度界面层形成的关联关系。

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多尺度共形石墨烯褶皱结构的光衍射现象

研究还观测到多尺度共形石墨烯褶皱具有新奇的连续衍射现象,与传统单一尺度褶皱结构的离散衍射现象存在着显著的差异。通过引入光栅衍射理论揭示上述现象的物理机制,研究表明:共形褶皱的多尺度性引起了多角度、多级衍射光的叠加效应。上述石墨烯表面具有优异的光学衍射性能与表面浸润性,在光编码加密技术、光操纵、光学双稳态器件和可调超疏水智能表面器件等应用方面有着巨大的应用价值。

该研究得到了国家杰出青年科学基金项目、上海市优秀学术带头人计划项目、国家自然科学基金和博士后创新人才计划等项目的资助。

附:Advanced Functional Materials期刊简介

Advanced Functional Materials为工程技术领域的国际期刊,影响因子为16.836,主要报道材料科学、纳米技术、应用物理、生物化学等领域的突破性的基础性和应用性研究成果。

论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202003273

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