云母纳米片与硅基底之间吸附能的鼓泡测量

二维材料的层间吸附力,或是与基底之间的吸附力会显著影响到其制备、转移、组装和功能化器件的性能。尤其是,基于二维材料的柔性电子器件在使用中,由于反复弯曲折叠或是环境温度、湿度等的变化使得二维材料可能与界面相脱离,从而导致其性能不稳定或者完全失效。因此,为确保设备的可靠性,测量二维材料与基底之间的吸附就显得尤为重要。

云母纳米片(MNL)是一种二维介电薄膜,具有较高的介电常数与极为平整的表面,以及出色的化学和热稳定性,这些特性使MNL成为近乎完美的介电材料。纳米颗粒辅助的鼓泡法,是通过将纳米膜(片)覆盖在基底表面的纳米颗粒上,形成由纳米颗粒支撑的鼓泡,并通过鼓泡的形变来测量超薄膜与基底之间黏附能的一种新方法。这种新方法的测试过程相对复杂,且非常耗时。因此,建立一种简易的测试方法,来快速测量MNL与基底之间的界面吸附能是非常有必要的。在汉斯出版社《材料科学》期刊中,有学者将通过纳米颗粒辅助的鼓泡法,借助OM和AFM对鼓泡的干涉图样、几何轮廓和膜厚进行观测和测量,计算MNL与Si基底之间的界面吸附能,并分析和讨论其测量结果。

将微量直径为0.1~2μm的SiO2的球形胶体球(纯度>99.9%)放于无水乙醇(95%)中,采用超声波分散30min;把含有SiO2颗粒的乙醇溶液滴在单晶(100)Si片,自然风干后再采用等离子机清洗表面的污渍约20~30min。

MNL是通过机械剥离的方法制备,并采用干转移法覆盖在Si片表面的。具体过程如下:(1)将黏性相对较低、表面平整光洁、透光性好的日本日东NITTO(448S)胶带,贴附在云母基底表面,并尽可能排除胶带与云母片之间的气泡。通常将胶带剪5~6小片,然后依次贴附在云母片上,因为较厚的胶带在剥离云母片时产生的形变量更小,更易剥离出完整度高的大面积MNL。(2)将胶带从云母基底撕开,在胶带上获得MNL;然后通过胶带对折和撕离方式,来调整胶带表面上的MNL的厚度。(3)将粘附有MNL的胶带贴附在带有SiO2颗粒的Si片上并尽可能去除中间的气泡,撕去胶带后在Si片上获得由SiO2颗粒顶起来鼓泡。鼓泡在制备过程中实验室温度为15℃,相对湿度约60%。(4)通过OM(Objectives:Mitutoyo M Plan APO500×)观察鼓泡的形貌和位置,通过AFM(Oxford Instruments Asylum Research, California, USA)对鼓泡的形貌和对应的MNL厚度进行表征。

采用纳米颗粒支撑的鼓泡法,在大气环境下测量了MNL与Si基底之间的吸附能。所获得的实验测量值42.9±8.9mJ/m2。这可能是因为本文中所采用的制样方法非常快捷,能基本排除空气中的水蒸气对测试结果的影响。同时,本文通过对照实验发现,在纳米颗粒与MNL的厚度大致相当时,通过板理论来计算吸附能比较准确;但是当颗粒比较大的时候,通过板理论获得的吸附能计算值将被低估。本文的测试结果不仅为MNL与Si基底吸附能提供了可靠的实验测量结果,为相关的微纳电子器件提供了重要的设计参数,而且对提高鼓泡法的可靠性和准确性具有非常重要的参考意义。

文章链接:https://doi.org/10.12677/MS.2021.115059

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