近日，上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院張文明教授團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所狄增峰團(tuán)隊(duì)合作研究，在Cell姊妹刊Matter (IF=19.967)的Understanding版塊上發(fā)表了題為“Deterministically self-assembled 2D materials and electronics”的研究論文，構(gòu)建了一種石墨烯/IML/PDMS三層結(jié)構(gòu)新體系，提出了基于界面應(yīng)力工程的表面失穩(wěn)模態(tài)跨尺度動力學(xué)調(diào)控方法，突破了二維納米薄膜結(jié)構(gòu)多模態(tài)表面失穩(wěn)的解耦難題, 實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了單原子層等極端尺度器件結(jié)構(gòu)確定性動力失穩(wěn)態(tài)，提出一種基于結(jié)構(gòu)確定性失穩(wěn)模態(tài)的新型自組裝電子器件。上海交通大學(xué)副教授胡開明和中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士生郭旺為本文共同第一作者，通訊作者為張文明教授、狄增峰研究員和胡開明副教授，其中張文明教授為Lead Contact。
研究團(tuán)隊(duì)針對極端尺度薄膜器件結(jié)構(gòu)多模態(tài)表面失穩(wěn)的力學(xué)調(diào)控難題，通過在二維薄膜和柔性基底之間巧妙地引入一層多功能光敏中間層 (Intermediate- multifunctional layer, IML)，并結(jié)合了一種新型的二維薄膜結(jié)構(gòu)低溫后固化轉(zhuǎn)移工藝，構(gòu)建了一種石墨烯/IML/PDMS三層結(jié)構(gòu)新體系，提出了基于界面應(yīng)力工程的表面失穩(wěn)多模態(tài)解耦調(diào)控方法，有效地調(diào)控了層間界面黏合強(qiáng)度和界面應(yīng)力，突破了二維納米薄膜結(jié)構(gòu)多模態(tài)耦合表面失穩(wěn)的解耦難題，首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了單原子層等極端尺度器件結(jié)構(gòu)確定性動力失穩(wěn)模態(tài)和確定性力學(xué)自組裝 (圖1)。
圖 1. 單原子極端尺度薄膜結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)解耦調(diào)控方法
團(tuán)隊(duì)通過引入一層可重編程式多功能光敏中間層 (IML)，如PMMA和HSQ光刻膠，從根本上克服原子層厚度2D晶體薄膜結(jié)構(gòu)彎曲剛度低所帶來的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定模態(tài)耦合調(diào)控難題，首次實(shí)現(xiàn)了極端尺度二維薄膜結(jié)構(gòu)的確定性單一力學(xué)失穩(wěn)態(tài)和確定性模式力學(xué)自組裝。上述解耦后的薄膜結(jié)構(gòu)失穩(wěn)力學(xué)行為可為柔性微納制造技術(shù)、微納功能表面器件提供一種新的技術(shù)路線，為發(fā)展表面失穩(wěn)引導(dǎo)的軟光刻技術(shù)帶來前所未有之機(jī)遇。通過利用可編程IML, 控制IML旋涂參數(shù)和光刻曝光條件，我們實(shí)現(xiàn)了三個數(shù)量級跨尺度表面失穩(wěn)結(jié)構(gòu)（從5nm到500μm）制造，大幅提升了力學(xué)自組裝技術(shù)制造極限尺度，突破了單原子層二維薄膜結(jié)構(gòu)的定向自組裝難題。
論文提出一種非侵入性和非接觸式原位的跨尺度動力學(xué)調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了單原子層厚度薄膜結(jié)構(gòu)的動力失穩(wěn)。如圖3A所示，設(shè)計一個近紅外光驅(qū)動裝置，并控制光強(qiáng)和曝光時間來驅(qū)動石墨烯/IML/PDMS三層結(jié)構(gòu)體系發(fā)生多次可逆的動力失穩(wěn)，原位調(diào)控了表面失穩(wěn)結(jié)構(gòu)的幅值。
圖2. 光控極端尺度薄膜結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)現(xiàn)象
上述高可設(shè)計性的確定性力學(xué)自組裝行為賦予了二維薄膜材料新的性能，如各向異性壓阻效應(yīng)和光-電耦合效應(yīng)。利用上述確定性力學(xué)自組裝技術(shù)，提出了一個全新自組裝電子器件的概念，并研制了基于二維材料的確定性自組裝微納電子器件，如超快速響應(yīng) (響應(yīng)時間為4ms)的可穿戴手勢傳感器和用于法向力和剪切力識別的三維各向異性觸覺傳感器(圖3)。上述結(jié)構(gòu)單一失穩(wěn)態(tài)引導(dǎo)的確定性力學(xué)自組裝現(xiàn)象可以極大地促進(jìn)面向二維薄膜材料和自組裝柔性電子器件的CMOS兼容型柔性微納制造技術(shù)。
圖 3. 確定性自組裝電子器件應(yīng)用：(A-B) 可穿戴式手勢傳感器；(C) 超快速響應(yīng)三維各向異性觸覺傳感器，響應(yīng)時間為4ms
該研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計劃項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃重點(diǎn)專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。張文明教授團(tuán)隊(duì)近年來在微納機(jī)電系統(tǒng)動力學(xué)與控制方向的研究成果發(fā)表在Matter、Nature Communications、Science Advances、National Science Review、Science Bulletin、ASME Journal of Applied Mechanics、Journal of Vibration and Acoustics、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Small等國內(nèi)外期刊上。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.03.019.
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