[论文解读] Stretching graphene using polymeric micro-muscles

Francesco Colangelo, Alessandro Pitanti+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Graphene research and applications参考文献 45被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，通过使用在电子束辐照下可逆收缩的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成的聚合物微致动器（MAMs），实现对石墨烯应变的动态控制。该技术可实现精确、可调谐且空间图案化的非均匀应变和面外形变，通过拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）得到验证，为二维材料应变工程研究提供了一个灵活的平台。

ABSTRACT

The control of strain in two-dimensional materials opens exciting perspectives for the engineering of their electronic properties. While this expectation has been validated by artificial-lattice studies, it remains elusive in the case of atomic lattices. Remarkable results were obtained on nanobubbles and nano-wrinkles, or using scanning probes; microscale strain devices were implemented exploiting deformable substrates or external loads. These devices lack, however, the flexibility required to fully control and investigate arbitrary strain profiles. Here, we demonstrate a novel approach making it possible to induce strain in graphene using polymeric micrometric artificial muscles (MAMs) that contract in a controllable and reversible way under an electronic stimulus. Our method exploits the mechanical response of poly-methyl-methacrylate (PMMA) to electron-beam irradiation. Inhomogeneous anisotropic strain and out-of-plane deformation are demonstrated and studied by Raman, scanning-electron and atomic-force microscopy. These can all be easily combined with the present device architecture. The flexibility of the present method opens new opportunities for the investigation of strain and nanomechanics in two-dimensional materials.

研究动机与目标

• 开发一种灵活、可控的方法，用于在石墨烯等二维材料中诱导应变。
• 克服现有应变器件在任意应变分布上缺乏空间和动态控制的局限性。
• 实现在二维材料中应变依赖的电子和力学性质的原位研究。
• 证明利用电子束诱导PMMA微结构收缩作为石墨烯致动手段的可行性。
• 提供一种可扩展、可集成的平台，兼容标准纳米制造和表征技术。

提出的方法

• 利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为响应性聚合物，在局部电子束辐照下发生收缩。
• 从PMMA制造微米尺度的人工肌肉（MAMs），以对悬浮石墨烯膜施加可控机械应力。
• 将MAMs与石墨烯集成于柔性可变形基底上，实现局部应变诱导。
• 利用电子束辐照触发PMMA中的各向异性、非均匀收缩，从而将应变传递至石墨烯。
• 采用拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）表征应变分布和面外形变。
• 设计模块化器件结构，支持重新配置，并可与其他纳米机械或电子系统组合。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用PMMA微结构中电子束诱导的收缩，在悬浮石墨烯中诱导可控应变？
• RQ2 该方法可实现何种类型的非均匀和各向异性应变分布？
• RQ3 石墨烯中的应变分布和面外形变与局部辐照图案之间有何关联？
• RQ4 该方法在石墨烯膜的不同区域中，应变诱导的可逆性和可调谐性达到何种程度？
• RQ5 该方法能否与标准纳米制造和原位表征技术集成，用于动态研究？

主要发现

• MAMs在石墨烯中诱导了非均匀且各向异性的应变，空间分辨拉曼光谱显示G带发生可测量的位移，证实了这一点。
• 通过原子力显微镜和扫描电子显微镜直接观察到面外形变，包括皱纹和穹顶结构。
• 通过调节电子束辐照，应变可被可逆地诱导和释放，证明了对机械应力的动态控制。
• 该方法实现了精确、局部的应变工程，无需外部载荷或复杂基底。
• 该技术与标准表征工具兼容，可实现实时监测应变演化过程。
• 该器件结构支持与其他纳米系统集成，适用于多功能应变工程实验。