原子力显微技术揭示了二维材料及范德华异质纳米界面的新特性

二维材料及范德华同质或异质纳米界面在先进电子器件、传感器、电化学储能、分子吸附和分离、水净化、超级电容储能、催化剂、燃料电池、药物纳米递送系统等方面具有十分广阔的应用前景。然而，真正实现这些应用需要定量地了解二维材料纳米界面的特性。不同于强的化学键，分子间较弱的相互作用（如范德华力和静电力）是此类基本界面传输的关键介质。同质或异质二维材料界面间的粘附力在二维材料合成，转移与操控及器件的制造，集成与性能中都起着关键作用。同时，二维材料为研究纳米级范德华界面提供了一个理想的平台，因为它们可以提供原子级的平坦、完美单晶态且无悬键的界面。然而，直接测量纳米级范德华结构的分子层间作用十分困难。同时就应用而言，空气环境中存在的各种分子构成了侵害范德华异质结构器件及二维材料器件的杂质。那么如何消除这些杂质的影响呢？

近日，密歇根大学的Wei Lu（吕炜）教授团队使用一种新颖的原子力纳米操控技术，通过精确地在原子力显微镜尖端附着纳米尺度的二维晶体平台并控制其与基体表面二维材料平台的相互作用，实现了对同质及异质二维材料层间相互作用的测量。他们的装置直接、精确地测量了空气环境中原子层与原子层间范德华力及静电力作用。他们突破性的工作首次测量出了二维材料经历不同温度历史后，空气中杂质分子与湿度对短程范德华力及长程静电作用力的影响。他们提出并实现了一种简单而有效的预冷处理技术，可以很好地保护二维晶体免受空气中杂质分子的侵害。该方法有效地提高了同质或异质范德华界面在空气环境中的粘附力。通过实验与分子计算，它们还发现并揭示了过渡金属二卤化物及石墨与SiOx异质结构中独特的界面行为。这种界面行为超出了通常对于层间范德华力的认知。

图1. 用于进行界面测量的原子力显微装置示意图。图片来源：Nat. Commun.

图2. 界面粘附力：正向力（左上），剪切力（右上），水分子影响（左下），内聚能（右下）。图片来源：Nat. Commun.

这一成果近期发表在Nature Communications 上，通讯作者是密歇根大学机械工程系的Wei Lu（吕炜）教授。这些发现对于理解范德华同质或异质纳米界面的机理、规模生产和开发这种有前途的材料有重要意义。

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Direct measurements of interfacial adhesion in 2D materials and van der Waals heterostructures in ambient air

Hossein Rokni, Wei Lu

Nat. Commun., 2020, 11, 5607, DOI: 10.1038/s41467-020-19411-7

Wei Lu博士简介

https://me.engin.umich.edu/people/faculty/wei-lu