清華大學劉鍇、李曉雁&西安交大張磊ACS Nano：MoS2網絡狀褶皺動態傳播的原位實驗觀察與理論模擬研究

【引言】

薄膜體系經常會發生褶皺并與基底分離。尤其是硬基底上的薄膜褶皺現象,?已在過去數十年間被廣泛研究。然而，現有研究主要集中在各種褶皺的靜態和終態的形貌。由于在原位實驗觀察和動力學模擬時存在較大的困難，研究各種褶皺尤其是復雜的網絡狀褶皺的動態傳播一直是巨大的挑戰。近年來，二維材料受到越來越多的關注。由于其自身表面無懸掛鍵，與基底之間以范德瓦爾斯作用為主，界面作用力較小，因而易于起皺，成為研究褶皺現象的理想材料。我們采用聚合物輔助沉積方法制備出厚度可調的MoS₂薄膜，通過微米尺度的探針局域觸發薄膜形成褶皺，結合原位觀察和有限元模擬來研究和理解網絡狀褶皺的動態傳播過程及影響因素。

【成果簡介】

近日，清華大學材料學院劉鍇課題組與西安交通大學張磊課題組、清華大學航天航空學院李曉雁課題組合作，通過聚合物輔助沉積方法制備了厚度可調的MoS₂薄膜。這種薄膜在生長出來之后是平整的，但受到基底的壓應力作用。用微米尺度的探針接觸薄膜并施加一定大小的力，可對平整的薄膜造成局域微小的擾動，因而觸發網絡狀褶皺的形成。這種局域觸發褶皺的方式便于原位觀察褶皺的動態傳播過程。實驗發現，褶皺以蜿蜒的方式傳播，而不是直線傳播，其傳播是各向同性的。在褶皺產生的起始階段，褶皺沿著若干個電話線的方向傳播，每個褶皺前端在傳播一段距離后，在節點處會繼續分叉成兩個褶皺前端，分叉后的節點并沒有立即釘扎，而是隨著前端的移動，會繼續移動一小段距離，這個現象有別于以前的報道。總體上來講，大一些的褶皺前端會繼續沿著不同的方向傳播，而小一些的會在靠近鄰近的褶皺時停止，從而形成網絡狀結構。褶皺會快速傳播至整個視野，乃至整個樣品表面。進一步采用有限元模擬方法再現了褶皺形成與傳播的動態過程，研究了褶皺圖案及褶皺三維結構與薄膜厚度的相關性，模擬結果與實驗結果表現出高度的一致性。這種基于二維材料的褶皺結構在漫反射涂層、微流通道和析氫催化電極等方面展現出潛在的應用前景。這項研究成果以?“Watching Dynamic Self-Assembly of Web Buckles in Strained MoS₂?Thin Films”?為題發表在國際著名學術期刊ACS?Nano上。論文第一作者是清華大學、西安交通大學博士研究生任紅濤、熊紫辛和王恩澤。

【圖文導讀】

圖1?大面積網絡狀褶皺的形成

（A）薄膜的制備及探針觸發褶皺的示意圖；

(B–G) 大面積褶皺形成的原位觀測；

(H–I) 褶皺的傳播長度和速率隨時間的演化；

(J) 褶皺的三維AFM高度圖像；

(K) 褶皺在不同位置處的高度輪廓；

(L–M) 褶皺的長度和寬度的統計分布。?

圖2?MoS₂薄膜的表征

(A–B)?褶皺前、后薄膜的光學圖片；

(C) 薄膜的表面AFM高度圖；

(D) 薄膜的高分辨TEM圖像以SAED圖；

(E) 薄膜的TEM圖像以及元素mapping圖；

(F) 薄膜的XPS圖譜；

(G) 褶皺前后薄膜底部的應力變化；

圖3?褶皺傳播的機制和運動學過程

(A)褶皺的有限元模擬模型；

(B)?褶皺的SEM側面圖；

(C-F)?褶皺傳播過程的模擬；

(G-J)?褶皺傳播及分叉的動態過程。

圖4?褶皺的三維結構與薄膜厚度的相關性

(A)?不同厚度薄膜的褶皺圖案；

(B)?不同厚度薄膜的褶皺形態模擬圖；

(C)?褶皺寬度及其相鄰節點間長度的理論與實驗的對比結果；

(D)?褶皺節點處高度及其中間處高度的理論與實驗的對比結果。

圖5 在空間上對褶皺圖案的調控

(A)?同一基底不同區域的褶皺圖案；

(B)?自由區域的褶皺圖案；

(C)?約束區域的褶皺圖案；

(D)?不同區域褶皺節點間長度的統計分析。

圖6?褶皺薄膜作為漫反射涂層和微流通道的應用

(A)?褶皺前后鏡面反射與漫反射圖示；

(B)?生長在藍寶石基底上不同厚度薄膜的光學圖片；

(C)?不同厚度薄膜褶皺區域的反射譜，插圖為未發生褶皺處的反射譜；

(D)?褶皺薄膜內部空間的水流示意圖；

(E)?水流在褶皺內部微流通道內部的流動，紅色箭頭指示出水的流動方向和水流前端；

(F)?水流在微流通道內部的流動速率；插圖為水與藍寶石基底、薄膜正面以及薄膜背面的接觸角。

【小結】

本文研究了MoS₂褶皺的動態傳播，而且通過有限元模擬探討了褶皺的形成機理以及運動學過程。本文系統報道了通過探針觸發MoS₂薄膜產生褶皺的動態過程，以及褶皺在漫反射涂層以及微流通道方面的應用，為開發基于褶皺工程的半導體器件提供了參考。

?文章鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/full/10.1021/acsnano.8b08411

本文由清華大學材料學院劉鍇課題組供稿，材料人編輯部Alisa編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.