范德華作用是最基本的分子間作用力之一。雖然同質(zhì)結(jié)構(gòu)間的范德華作用在20世紀(jì)已得到了系統(tǒng)的理論研究和精細(xì)的實(shí)驗(yàn)表征，但對(duì)于異質(zhì)結(jié)構(gòu)（尤其是工程應(yīng)用中常見的薄膜-基底體系），其作用是否可以通過分子間相互作用的簡(jiǎn)單體積積分來疊加，長(zhǎng)期以來存在理論和實(shí)驗(yàn)上的爭(zhēng)議。北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院力學(xué)系戴兆賀研究員及合作者近期圍繞這一基礎(chǔ)問題，以“Transparency of graphene to solid-solid van der Waals interactions”為題，于物理領(lǐng)域旗艦期刊Physical Review Letters發(fā)表論文。該工作被選為封面和編輯推薦論文，并被Physics Magazine報(bào)道。
論文封面
石墨烯-硅襯底體系中的薄膜厚度可以精確控制至原子尺度，為解決這一爭(zhēng)議問題提供了理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。然而，在單原子層厚度下，薄膜極易發(fā)生幾何非線性變形，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)解析帶來巨大挑戰(zhàn)。針對(duì)這一難題，團(tuán)隊(duì)提出了“原子力顯微鏡表征+非線性薄膜力學(xué)分析”相結(jié)合的研究方案。研究人員首先通過配備膠體探針的原子力顯微鏡（圖1），測(cè)量了石墨烯在懸浮與支撐狀態(tài)下的拉脫力（pull-off force）。結(jié)果表明，拉脫力可通過接觸力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為界面能，其轉(zhuǎn)換系數(shù)隨薄膜可變形能力增強(qiáng)而漸近收斂至剛性結(jié)構(gòu)的一半（圖2）。這一修正對(duì)于解釋薄膜材料自發(fā)撕裂等界面現(xiàn)象至關(guān)重要。
圖1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖與典型力-位移曲線
圖2. 懸浮與支撐薄膜上的拉脫力測(cè)量與表觀黏附能的轉(zhuǎn)換
團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步進(jìn)行了非接觸的探針跳入（pull-in）實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示了薄膜厚度對(duì)膜-基體系范德華疊加性的調(diào)控規(guī)律。單層薄膜能夠屏蔽10%的下方基底范德華作用，而當(dāng)厚度增加至五層時(shí)，屏蔽效率可提升至約50%。該結(jié)果與校正的Lifshitz理論模型預(yù)測(cè)一致（圖5）。該成果不僅為揭示異質(zhì)膜-基體系中范德華作用的本質(zhì)提供了堅(jiān)實(shí)證據(jù)，也建立了一套普適的力學(xué)測(cè)量與分析框架，為低維材料物理、界面力學(xué)以及新型薄膜器件設(shè)計(jì)提供了重要理論支撐。
該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院力學(xué)系博士生于川立為論文的第一作者，戴兆賀為通訊作者。其他合作者還包括北大力學(xué)系博士生曾維嘉、博士后王文祥，南京航空航天大學(xué)劉小飛教授和寇澤普、清華大學(xué)李群仰教授和王玲。
轉(zhuǎn)自《北京大學(xué)新聞網(wǎng)》
.png)
.png)
.png)
