中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室張廣宇研究組自2009年成立以來，一直把石墨烯納米結(jié)構(gòu)的可控加工及其輸運(yùn)性質(zhì)的研究作為課題組的一個(gè)重要方向。石墨烯是近年來發(fā)現(xiàn)的一種兩維結(jié)構(gòu)材料，表現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)和其他新奇的物理特性。張廣宇研究組在前期的研究中，利用自制的遠(yuǎn)程電感耦合等離子體系統(tǒng)，首次成功實(shí)現(xiàn)了石墨烯的可控各向異性刻蝕，得到了近原子級規(guī)則的Zigzag邊緣結(jié)構(gòu)，并利用這種干法刻蝕技術(shù)結(jié)合電子束光刻技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了對石墨烯納米結(jié)構(gòu)的精確加工和剪裁【Advanced Materials 22, 4014, (2010)】；首次在多種基底（半導(dǎo)體、金屬、絕緣體等表面）上實(shí)現(xiàn)了納米石墨烯薄膜的低溫（~550?C）直接生長，研究了薄膜的輸運(yùn)及光學(xué)性能【Nano Research 4, 315, (2011)】。
最近，張廣宇研究組又在石墨烯周期性折疊結(jié)構(gòu)的加工及其在應(yīng)力傳感器件方面的應(yīng)用研究取得了突破性進(jìn)展，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在【ACS NANO (2011)】。
由于石墨烯特殊的二維結(jié)構(gòu)，不僅表現(xiàn)出奇特的電學(xué)特性，而且具有很好的柔韌性，在透明導(dǎo)電材料和柔性電子器件方面具有潛在的應(yīng)用前景。通常，石墨烯在PET和PDMS等柔性襯底上的附著力弱，靠范德瓦爾斯力相互結(jié)合。因此，當(dāng)襯底發(fā)生較大的形變時(shí)，石墨烯很容易在襯底上發(fā)生滑移甚至斷裂，這是因?yàn)槭╇m然具有很高的機(jī)械韌性，但在石墨烯面內(nèi)是剛性的。為了解決石墨烯和襯底在較大應(yīng)力加載時(shí)結(jié)合不牢固的問題，他們提出了一種新的石墨烯柔性器件的加工方法，即制作三維周期性折疊石墨烯結(jié)構(gòu)，使石墨烯可以承受襯底材料較大的形變而不發(fā)生滑移或結(jié)構(gòu)破壞。
目前，對于在柔性襯底上加工周期性折疊石墨烯結(jié)構(gòu)的研究工作還沒有文獻(xiàn)報(bào)道。他們采用了一種非線性折疊技術(shù)來加工石墨烯周期性結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)最早是Whitesides et al.在加工周期性硅薄膜褶皺結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)展出來的，并在其它不同的材料上得到了推廣。他們采用這種技術(shù)，首先把石墨烯轉(zhuǎn)移到預(yù)先施加拉應(yīng)力的PDMS柔性襯底上，然后通過釋放PDMS上的應(yīng)力，使石墨烯在PDMS恢復(fù)自然狀態(tài)的過程中形成具有納米周期的波紋狀折疊結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，得到的折疊石墨烯結(jié)構(gòu)的周期和折疊幅度均受在PDMS上預(yù)施加應(yīng)力大小的影響，也和石墨烯條帶的寬度和層數(shù)有關(guān)。隨著預(yù)先施加在PDMS上的拉應(yīng)力的增加，得到的折疊石墨烯的周期和折疊幅度均會(huì)減小。另外，在窄的石墨烯條帶上更容易得到規(guī)則周期性折疊結(jié)構(gòu)。采用同樣的加工方法，他們也在自己前期合成的納米石墨烯薄膜上得到了周期性的折疊結(jié)構(gòu)。
結(jié)合微加工工藝，他們對PDMS柔性襯底上制作的機(jī)械剝離的石墨烯條帶和合成的納米石墨烯薄膜周期性折疊結(jié)構(gòu)均引出電極，做成應(yīng)力傳感器，測試周期性折疊石墨烯的電阻隨襯底的應(yīng)力變化。結(jié)果表明，這種周期性的波紋折疊狀石墨烯結(jié)構(gòu)的柔韌性非常好，在PDMS襯底的拉伸形變大于> 30%時(shí)，石墨烯仍然表現(xiàn)出非常好的可逆形變。石墨烯的電阻隨襯底的形變變化曲線表明，石墨烯的電阻和襯底的加載應(yīng)力呈線性關(guān)系。可見，這種周期折疊石墨烯結(jié)構(gòu)能夠承受高強(qiáng)度的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，是一種很好的應(yīng)力傳感器材料，可用于大量程的應(yīng)力傳感器。這種制作周期性折疊石墨烯結(jié)構(gòu)的加工方法簡單、工藝可控，為石墨烯柔性電子學(xué)器件和應(yīng)力傳感器的實(shí)際應(yīng)用提供了一種確實(shí)可行的制作方法。
該工作得到中科院“百人計(jì)劃”、國家自然科學(xué)基金和“973”項(xiàng)目的支持。
最近，張廣宇研究組又在石墨烯周期性折疊結(jié)構(gòu)的加工及其在應(yīng)力傳感器件方面的應(yīng)用研究取得了突破性進(jìn)展，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在【ACS NANO (2011)】。
由于石墨烯特殊的二維結(jié)構(gòu)，不僅表現(xiàn)出奇特的電學(xué)特性，而且具有很好的柔韌性，在透明導(dǎo)電材料和柔性電子器件方面具有潛在的應(yīng)用前景。通常，石墨烯在PET和PDMS等柔性襯底上的附著力弱，靠范德瓦爾斯力相互結(jié)合。因此，當(dāng)襯底發(fā)生較大的形變時(shí)，石墨烯很容易在襯底上發(fā)生滑移甚至斷裂，這是因?yàn)槭╇m然具有很高的機(jī)械韌性，但在石墨烯面內(nèi)是剛性的。為了解決石墨烯和襯底在較大應(yīng)力加載時(shí)結(jié)合不牢固的問題，他們提出了一種新的石墨烯柔性器件的加工方法，即制作三維周期性折疊石墨烯結(jié)構(gòu)，使石墨烯可以承受襯底材料較大的形變而不發(fā)生滑移或結(jié)構(gòu)破壞。
目前，對于在柔性襯底上加工周期性折疊石墨烯結(jié)構(gòu)的研究工作還沒有文獻(xiàn)報(bào)道。他們采用了一種非線性折疊技術(shù)來加工石墨烯周期性結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)最早是Whitesides et al.在加工周期性硅薄膜褶皺結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)展出來的，并在其它不同的材料上得到了推廣。他們采用這種技術(shù)，首先把石墨烯轉(zhuǎn)移到預(yù)先施加拉應(yīng)力的PDMS柔性襯底上，然后通過釋放PDMS上的應(yīng)力，使石墨烯在PDMS恢復(fù)自然狀態(tài)的過程中形成具有納米周期的波紋狀折疊結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，得到的折疊石墨烯結(jié)構(gòu)的周期和折疊幅度均受在PDMS上預(yù)施加應(yīng)力大小的影響，也和石墨烯條帶的寬度和層數(shù)有關(guān)。隨著預(yù)先施加在PDMS上的拉應(yīng)力的增加，得到的折疊石墨烯的周期和折疊幅度均會(huì)減小。另外，在窄的石墨烯條帶上更容易得到規(guī)則周期性折疊結(jié)構(gòu)。采用同樣的加工方法，他們也在自己前期合成的納米石墨烯薄膜上得到了周期性的折疊結(jié)構(gòu)。
結(jié)合微加工工藝，他們對PDMS柔性襯底上制作的機(jī)械剝離的石墨烯條帶和合成的納米石墨烯薄膜周期性折疊結(jié)構(gòu)均引出電極，做成應(yīng)力傳感器，測試周期性折疊石墨烯的電阻隨襯底的應(yīng)力變化。結(jié)果表明，這種周期性的波紋折疊狀石墨烯結(jié)構(gòu)的柔韌性非常好，在PDMS襯底的拉伸形變大于> 30%時(shí)，石墨烯仍然表現(xiàn)出非常好的可逆形變。石墨烯的電阻隨襯底的形變變化曲線表明，石墨烯的電阻和襯底的加載應(yīng)力呈線性關(guān)系。可見，這種周期折疊石墨烯結(jié)構(gòu)能夠承受高強(qiáng)度的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，是一種很好的應(yīng)力傳感器材料，可用于大量程的應(yīng)力傳感器。這種制作周期性折疊石墨烯結(jié)構(gòu)的加工方法簡單、工藝可控，為石墨烯柔性電子學(xué)器件和應(yīng)力傳感器的實(shí)際應(yīng)用提供了一種確實(shí)可行的制作方法。
該工作得到中科院“百人計(jì)劃”、國家自然科學(xué)基金和“973”項(xiàng)目的支持。
