武汉大学欧阳稳根研究员与特拉维夫大学Hod/Urbakh教授:层状材料的各向异性剥离性质

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剥离（Peeling）是一种重要且常见的多尺度物理现象，尤其在范德华层状材料体系中起着重要作用。众所周知，组成范德华层状材料的单层二维材料具有独特的电子、力学和摩擦性能。但二维材料样品通常生长或粘附在基底上，为了将此类样品与其基底分离，机械剥离和转移仍然是最简单有效的技术。因此了解剥离的微观机制并找到控制它的方法至关重要。

武汉大学欧阳稳根研究员和特拉维夫大学Hod和Urbakh教授基于非平衡分子动力学，利用他们发展的最新各向异性层间力场，以石墨烯纳米条带/氮化硼异质结（GNR/h-BN）为模型体系，系统研究了其剥离的各向异性行为并提出了相应的理论模型，揭示了界面摩擦是影响此类范德华异质结界面剥离过程的关键因素。此研究所揭示的层状材料剥离过程的微观理解以及用于估计界面粘附能的方法对于涉及层状材料的剥离和转移过程的纳米机械器件设计、制造和应用具有重要意义。相关工作以“Registry-Dependent Peeling of Layered Material Interfaces: The Case of Graphene Nanoribbons on Hexagonal Boron Nitride”为题，发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。

模型体系

此研究采用的模型体系为GNR/h-BN异质结，其优势在于可通过改变GNR在h-BN上的相对转角来调控其界面摩擦力，剥离过程示意图如图 1所示。最近的研究发现，Lennard-Jones势函数无法准确描述此类层状材料的界面摩擦行为，为了弥补这一缺陷，此研究采用了最新发展的可准确模拟层状材料摩擦、力学及热学性能的各向异性层间力场（ILP，详见：J. Chem. Theory Comput. 2020, 16 (1), 666-676. 和Nano Lett. 2020, 20 (10), 7513-7518）。

图 1. 模拟模型示意图。(a) 石墨烯纳米条带在氮化硼表面的剥离过程，为剥离角度，为接触区长度，红色为剥离路径。石墨烯纳米条带优化构型的侧视图 (b) 和俯视图 (c)。

层状材料剥离过程的各向异性行为

此研究通过改变石墨烯纳米条带与氮化硼基底的相对转角（）来研究层状材料剥离过程的各向异性行为，如图 2所示。当GNR与h-BN取向一致时（），界面呈高摩擦状态（详见Nano Lett. 2018, 18 (9), 6009-6016），剥离力-位移曲线呈现明显的粘-滑（stick-slip）现象，并且直至GNR被完全剥离，系统都没有达到稳态（图 2a）；而当GNR与h-BN取向相互垂直时（），界面呈超润滑状态，剥离力-位移曲线呈现平滑（smooth-sliding）现象，并且系统很快达到稳态（图 2b）；当GNR与与h-BN取向介于上述两者之间时（），观察到剥离力-位移曲线呈现从平滑剥离到粘-滑剥离的转变，原因是在剥离过程中，GNR与h-BN的接触部分会自发转动到公度状态，从而使摩擦力增加。针对粘-滑剥离和平滑剥离两种状态，此研究分别提出了理论模型计算界面粘附能，得到的结果和分子动力学以及实验结果吻合良好（图 3）。

图 2. 石墨烯纳米条带在氮化硼基底上呈不同取向时的三种剥离形式：(a) ，高摩擦状态下的粘-滑剥离，(b) ，超滑状态下的平滑剥离， (c, d) ，从平滑剥离到粘-滑剥离的转变。

影响层状材料剥离过程的其他因素

除界面摩擦外，之前基于无摩擦假设的研究表明剥离角度、剥离速度以及剥离方式均对剥离过程有着重要影响。但此研究发现，层状材料的剥离过程几乎与剥离角度无关（图 3），而完全取决于界面摩擦力。另外，虽然剥离速度（图 4）和剥离方式（图 5）会影响剥离力的数值，但是由界面摩擦力所决定的粘-滑剥离和平滑剥离的两种状态并不随之改变，表明这两种剥离状态是层状材料体系的共性。

图 3. 剥离过程对剥离角度的依赖性。

图 4. 剥离速度对剥离过程的影响。

图 5. 剥离方式对剥离过程的影响。

作者简介

欧阳稳根：
https://civ.whu.edu.cn/info/1377/10101.htm 

Oded Hod：
https://www.tau.ac.il/~odedhod/ 

Michael Urbakh：
https://english.tau.ac.il/profile/urbakh 

相关链接

Wengen Ouyang, Oded Hod, and Michael Urbakh. Registry-Dependent Peeling of Layered Material Interfaces: The Case of Graphene Nanoribbons on Hexagonal Boron Nitride. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13 (36), 43533-43539.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c09529  

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