柔性聚合物衬底上单层二维原子晶体的软接触摩擦制备及机理研究

The direct (“transfer-free”) fabrication methods of two-dimensional (2-D) atomic crystals on flexible polymer substrates are very important for the development of areas such as flexible opto-electronics. The applicant previously proposed soft contact rubbing method, and had preliminarily achieved the rapid fabrication of few-layer 2-D atomic crystals (with 2 to 10 atomic layers) “directly” on flexible substrates under room temperature. However, the current soft contact rubbing method could not achieve the fabrication of mono-layer 2-D atomic crystals on flexible substrates, and the physical mechanisms are not yet clear. This project intends to research on the surface properties of specific matching medias and the intrinsic characteristics of 2-D layered materials, especially the important issues of their influence on the micro-characters and typical opto-electronic properties of 2-D atomic crystals. Through these researches, this project will achieve the fabrication of mono-layer 2-D atomic crystals on flexible substrates by soft contact rubbing method, and will clarify the physical mechanisms. This project will develop a method which can fabricate mono-layer 2-D atomic crystals “directly” on flexible substrates, thus avoids the "transfer" steps, and compensates the current limitation of the existing “direct” fabrication methods that they can only be suited for one kind of mono-layer 2-D atomic crystals (such as mono-layer graphene only or mono-layer molybdenum/tungsten disulfides only), and difficult to be applied to flexible substrates. The results should have the universality for various kinds of common mono-layer 2-D atomic crystals, including mono-layer graphene, mono-layer hexagonal boron nitrides, and mono-layer molybdenum/tungsten disulfides.

柔性聚合物衬底上二维原子晶体的“直接”（即“无需转移”）制备方法对于柔性光电子学等领域的发展具有重要意义。申请人前期提出软接触摩擦法，初步实现了室温下在柔性衬底上快速“直接”制备多种多层二维原子晶体的目标（原子层数2至10层），但机理尚不清晰，且不能实现单层二维原子晶体的制备。本项目拟以制备过程中特定匹配介质的表面特性和二维层状材料的本征特性等为切入点，重点研究它们对二维原子晶体微观性状及宏观光电性能的影响等关键问题，实现单层二维原子晶体在柔性衬底上的软接触摩擦制备，并阐明机理。本项目将发展出一种能在柔性衬底上“直接”制备多种单层二维原子晶体的方法，避免“转移”环节，并弥补现有 “直接”制备方法仅适合某种单层二维原子晶体（如仅适合单层石墨烯或仅适合单层二硫化钼等）的局限，以及难以适应柔性衬底的不足。研究结果对常见单层二维原子晶体（单层石墨烯、单层六方氮化硼、单层二硫化钼/钨等）具有普适性。

项目针对单层二维原子晶体在柔性聚合物衬底上的“直接”制备及应用的学术背景，对软接触摩擦制备过程中存在的多种表面以及制备获得的柔性叠层膜的表/界面特性、二维层状材料的本征特性对二维原子晶体成型的影响等重要内容和关键问题进行了详细研究，从而明晰了柔性聚合物衬底上二维原子晶体的软接触摩擦制备机理，并实现了单层原子晶体在柔性衬底上的软接触摩擦制备。主要研究成果包括：（1）研究了软接触摩擦制备过程中制备介质和镜面化介质的表/界面特性，以及软接触摩擦制备过程中，制备介质及镜面化介质的表/界面特性对最终二维原子晶体/聚合物柔性叠层膜的表/界面特性的影响。利用柔性复合材料表面和石墨表面之间的非均匀磨粒磨损效应，用摩擦直写技术实现了二维表面渗流渗流集团，研制出对微小应变具有极高响应的电阻式应变传感器。（2）研究了不同二维层状材料的原子层间结合力、微观摩擦系数（特别是是否具备自润滑特性）、晶片尺寸等本质内在特性对单层二维原子晶体成型行为的影响。将经典黏着磨损理论引入软接触摩擦机理并提出二次镜面摩擦工艺步骤与过程材料摩擦修复环节，构成了循环软接触摩擦制备工艺步骤。（3）研究了不同摩擦服役状态下二维原子晶体在柔性聚合物衬底上的生长与成型情况，主要包括二维原子晶体的形貌尺寸、层数分布、晶界状态等。通过消除柔性透明高分子表面和二维材料表面之间的磨粒磨损效应及最大限度地降低黏着磨损效应，实现了更高效的软接触摩擦制备技术——直接镜面摩擦法，并依此研制出摩擦转移工艺制备出石墨/VHB柔性应变传感器。（4）研究了软接触摩擦法制备获得的二维原子晶体/聚合物柔性叠层膜的表/界面特性（主要是表面结合强度及表面稳定性，以及柔性叠层膜的典型光电特征等宏观性能）。研制出柔性呼吸传感器及带有保护层结构设计的可拉伸应变传感器用。在本项目资助下，培养博士研究生1人，硕士研究生7人。已经发表SCI 论文7篇，授权中国发明专利1项。