资讯| 清华大学张一慧教授团队：力学引导三维组装中一种褶皱辅助的界面调控策略

近日，清华大学张一慧教授团队提出了一种褶皱辅助的界面调控策略以显著地促进薄膜基底系统在特定区域的分离。通过在薄膜和基底之间引入一层新的辅助层，薄膜/辅助层的弱界面取代了原本薄膜/基底的强界面，同时辅助层的褶皱也提供了额外的驱动力促使薄膜/辅助层界面的完全脱粘。该成果以“A wrinkling-assisted strategy for controlled interface delamination in mechanically-guided 3D assembly”为题发表在固体力学旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上。

力学引导三维组装因其与先进平面制备方法和加工工艺的兼容性引起了科研界的广泛兴趣，并被广泛应用于大量的先进材料（例如器件级硅、砷化镓、二维材料（石墨烯、二硫化钼）和其它电子材料）以及多尺度（从亚微米到毫米）三维结构和器件的制备。该方法的应用中，在特定区域实现强/弱界面调控是十分重要的，目前学者提出的几种界面调控策略包括界面修饰、表面微结构、液体润滑等仍存在一些不足，例如难以同时实现薄膜基底间足够强和足够弱的界面。

图1 力学引导三维组装中的一种褶皱辅助的界面

作者们通过提出一种褶皱辅助的界面调控策略实现了薄膜/基底系统在选择区域脱粘（足够弱的界面），同时能够在其他区域保持粘接（足够强的界面）。图1以直条带为例阐述了这种界面调控策略在三维组装中的应用。首先通过平面加工工艺制备二维图案化薄膜（结构层、牺牲层和辅助层），通过转印技术将薄膜与预拉伸弹性基底结合，去除牺牲层后逐步释放基底预应变；通过合理的辅助层设计，在结构层/辅助层的弱界面及辅助层褶皱的共同作用下可以实现结构层和辅助层的完全脱粘，以此实现三维结构的组装。

图2 双层薄膜/基底系统的界面脱粘力学模型示意图

通过建立双层薄膜（结构层和辅助层）/基底系统的界面脱粘力学模型，作者们进一步定量分析了辅助层的设计对整个系统脱粘效果的影响。不同于传统的单层薄膜/基底系统，该模型在脱粘区域内，辅助层仍保持褶皱形貌，如图2所示。结构层和辅助层都可以用正弦型函数描述其形状，结合不可伸长假设和几何约束可将结构层和辅助层的波长、幅值表示为单个未知量（即结构层的脱粘长度）的函数，然后采用能量法来确定该未知量。

通过定义特征量K，该力学模型给出了无量纲化的脱粘长度解析公式，并可显式的将其表示为K和无量纲压缩位移的函数。在此基础上，通过实验和有限元方法验证了上述力学模型。作者们进一步分析了无量纲化的脱粘长度、脱粘比例、完全脱粘的最小压缩应变和特征量K、压缩位移、总长度等之间的关系，见图3。结果显示K的增大能显著促进薄膜的脱粘，尤其在K较大时，完全脱粘的最小压缩应变仅取决于K，该模型可以得到一个十分简洁的解析解；在K=0时，该模型退化到之前单层薄膜/基底界面脱粘的力学模型。该模型为褶皱辅助界面调控策略提供了理论支撑。

图3 双层薄膜/基底系统界面脱粘力学模型的参数化分析

该策略可以被进一步应用到力学引导的复杂三维结构的组装中。直条带解析模型的分析和讨论说明特征量K在界面脱粘调控中起主导作用。在进一步将上述直条带力学模型扩展到复杂三维结构的组装时，作者们发现复杂三维结构的组装不仅依赖于特征量K和压缩应变，也依赖于二维前驱体的几何设计。因此，针对任意复杂三维结构的组装，在给定压缩应变的情况下，选择一个足够大的K对三维组装的成功实现是十分重要的。这里作者们分析了两类难以从基底完全脱粘的复杂三维结构：超柔结构（图4）和具备大面积悬浮特点的结构（图5）在K = 0和K = 41两种情况下的组装结果。

图4 褶皱辅助界面调控策略应用于超柔结构的三维组装

图5 褶皱辅助界面调控策略应用于具备大面积悬浮特点结构的三维组装

清华大学张一慧教授为文章的通讯作者。清华大学博士生帅雨萌和博士后赵建中为文章的共同第一作者。清华大学博士后柏韧恒、兰宇和吕增耀参与了此项研究。该研究成果得到了国家自然科学基金委原创探索计划、国家杰出青年科学基金项目、基金委创新研究群体和青年科学基金等项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105203

审核：力学家

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