Phys. Rev. Lett.：史上首次测量出石墨烯层间剪切应力

【背景介绍】

 单层二维（2D）晶体显示出许多有趣的特性，但最值得引起注意的应用应该是将其堆叠成多层结构。夹层和界面剪切相互作用可以在这些应用的性能和可靠性方面发挥至关重要的作用，但是关于层间的剪切变形和2D材料之间界面的关键参数知之甚少。

 【成果简介】

 近日，来自中国科学院国家纳米科学中心张忠、刘璐琪研究员和清华大学徐志平教授（共同通讯）等人基于加压微型气泡加载装置首次测量出了双层石墨烯的层间剪切应力。证明了在鼓泡边缘之外的层间剪切带的连续生长，并基于双层石墨烯鼓泡的膜分析获取了40kPa的层间剪切应力。这个数值比用相同实验测得的单原子层石墨烯和氧化硅衬底的剪切阻力低了约40倍。相关成果以题为“Measuring Interlayer Shear Stress in Bilayer Graphene”发表在了Physical Review Letters上。

【图文导读】

图1 双层石墨烯鼓起装置的示意图和特征以及剥离的石墨烯片材的光学和SEM图像

（a）双层石墨烯鼓起装置的示意图和特征。左侧插图显示石墨烯鼓泡的形状随着压力的增加而增加。右侧插图显示了沿线扫描方向垂直堆叠的石墨烯G带的拉曼光谱

 （b,c）剥离的石墨烯片材在预制图案化SiO 2衬底上的（b）光学和（c）SEM图像

图2 石墨烯样品示意图及应力分布

（a，b）鼓起（a）单层和（b）双层石墨烯样品的示意图

（c-h）在一个象限中的G带频率的拉曼光谱图揭示了在不同压力下（c）-（e）单层和（f）-（h）双层石墨烯样品中的应变分布

（i，j）（i）单层和（j）双层石墨烯横截面的拉曼光谱

图3 界面结合能的空间分布、位移量的计算及层间剪切行为

（a）底层石墨烯与二氧化硅基底之间界面结合能的空间分布

（b）从MD模拟结果计算的顶层石墨烯中的分解面内位移量

（c，d）底层和顶层石墨烯的层间剪切行为，由特定压差下的原子位移决定

图4 石墨烯鼓泡的生长

（a,b）单层和双层石墨烯鼓泡（a）界面和（b）层间剪切带的生长

（c,d）（c）单层和（d）双层石墨烯鼓泡的归一化中心偏转

图5 剪切应力的测量

虚线对应于1.64MPa和0.04MPa的平均值

【小结】

该研究是史上首次测量出石墨烯层间剪切应力。若已知层间剪切力，则该结果可用于指导基于石墨烯的电气和机械装置的开发，并起到重要的作用。该研究结果也可以为二维异质结构界面和层间变形的基础研究提供充分的参考。

文献链接：Measuring Interlayer Shear Stress in Bilayer Graphene（Phys. Rev. Lett.,2017,DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.036101）

本文由材料人编辑部纳米学术组段鹏超供稿，材料牛编辑整理。

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