薄膜體系經(jīng)常會自發(fā)形成褶皺并與基底分離，從而產(chǎn)生新的構(gòu)效關(guān)系，引起了基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。特別是硬基底上的薄膜褶皺現(xiàn)象, 已在過去數(shù)十年間被深入研究。

由于在原位實驗觀察和動力學(xué)模擬時存在諸多技術(shù)困難，現(xiàn)有研究主要集中在各種褶皺的靜態(tài)和終態(tài)的形貌，而各種褶皺尤其是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)狀褶皺的動態(tài)傳播的研究一直是巨大的挑戰(zhàn)。特別是近年來，二維材料由于表面無懸掛鍵且與基底之間以范德瓦爾斯作用為主，界面作用力較小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)易于褶皺并隨之引起性能的變化，因而二維材料的褶皺研究逐漸成為當(dāng)今研究的熱點。

近日，清華大學(xué)材料學(xué)院劉鍇課題組在美國化學(xué)學(xué)會ACS Nano期刊發(fā)表研究論文。該研究通過微米尺度的探針觸發(fā)MoS₂薄膜形成褶皺，結(jié)合原位觀察和有限元模擬來研究和理解網(wǎng)絡(luò)狀褶皺的動態(tài)傳播過程及其影響因素。

針對二維材料褶皺研究中的原位觀察和動力學(xué)分析中的難題，劉鍇研究團隊與航空航天學(xué)院李曉雁副教授、西安交通大學(xué)理學(xué)院張磊教授團隊緊密合作，采用聚合物輔助沉積方法制備出厚度可調(diào)的MoS₂薄膜，并利用光學(xué)顯微鏡原位觀察平整薄膜在微米尺度探針觸發(fā)下網(wǎng)絡(luò)狀褶皺的動態(tài)形成與傳播過程。

實驗發(fā)現(xiàn)，該種褶皺并非直線形式蔓延而是以蜿蜒的方式傳播，且其傳播方向是各向同性的。

MoS2褶皺動態(tài)傳播過程的原位觀察（下）和有限元模擬結(jié)果（上）

在起始階段，褶皺沿著若干個電話線方向傳播，每個褶皺前端在傳播一段特征距離后，會在節(jié)點處分叉成兩個褶皺前端，且與之前的報道不同，分叉后的節(jié)點并沒有立即釘扎而是隨著前端的移動繼續(xù)移動一小段距離。部分褶皺前端會繼續(xù)沿著不同的方向傳播，而另外一部分會在靠近鄰近的褶皺時停止，從而形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。褶皺會快速傳播至整個視野，乃至整個樣品表面。

進一步的有限元模擬研究通過再現(xiàn)褶皺形成與傳播的動態(tài)過程，定量地研究了褶皺圖案、褶皺三維結(jié)構(gòu)與薄膜厚度的相關(guān)性，且模擬結(jié)果與實驗結(jié)果表現(xiàn)出高度的一致性。

最后文章在系統(tǒng)報道MoS₂褶皺動態(tài)傳播過程的基礎(chǔ)上，探討了褶皺狀的MoS₂薄膜在漫反射涂層、微流通道及析氫催化電極等方面的應(yīng)用，為開發(fā)基于褶皺工程的半導(dǎo)體器件提供了參考。

該論文第一作者為清華材料學(xué)院訪問學(xué)生、西安交通大學(xué)理學(xué)院博士研究生生任紅濤，清華大學(xué)航空航天學(xué)院博士生熊紫辛和清華大學(xué)材料學(xué)院博士生王恩澤；

通訊作者為劉鍇副教授、李曉雁副教授以及張磊教授

Ren H, Xiong Z, Wang E, et al. Watching Dynamic Self-Assembly of Web Buckles in Strained MoS2 Thin Films[J]. ACS nano, 2019.