MoS2纳米片在金属基底上的界面力学行为依赖于其厚度：来自原位拉伸实验和分子动力学模拟的见解

《Surfaces and Interfaces》：Thickness-dependent interfacial mechanical behaviours of the MoS 2 nanoflakes on metal substrates: Insights from in-situ tensile experiments and molecular dynamics simulations

MoS?纳米片在铜基底受拉时的界面力学行为研究表明，薄层出现小幅度褶皱，中等厚度层剥离，厚层无变形，机制源于界面载荷传递与MoS?层弯曲刚度的竞争。

　　

Jin Ke|Jin Zhang

湖北理工学院土木工程与建筑学院，中国黄石435003

摘要

二硫化钼（MoS₂）与金属之间的独特相互作用特性使得MoS₂纳米片成为提高金属机械性能的优良涂层或增强相材料。然而，MoS₂/金属界面在机械载荷下的变形行为尚未得到充分研究。本文通过原位拉伸试验、分子动力学（MD）模拟和理论分析，研究了转移到铜（Cu）表面的多层MoS₂的界面力学行为。实验结果表明，当底层Cu基底受到拉伸时，不同厚度的MoS₂纳米片表现出不同的变形行为：薄层和中层MoS₂纳米片出现小振幅的皱褶现象，而厚层MoS₂纳米片则没有皱褶或屈曲现象。根据MD模拟和剪切滞后模型，不同厚度MoS₂纳米片的不同力学行为归因于MoS₂/Cu界面传递的载荷与MoS₂层弯曲刚度之间的竞争。本研究有望扩展对MoS₂/Cu纳米复合材料界面力学行为的认识，并为MoS₂/金属界面的设计和应用提供重要指导。

引言

自从成功实现石墨烯的机械剥离[1]以来，二维（2D）材料的研究在过去二十年中在物理学、化学、电气工程和材料科学等多个领域呈指数级增长[2,3]。作为2D材料家族中最著名的成员，石墨烯展现了许多优异的特性，如巨大的比表面积、高导热性、导电性和杨氏模量[4,5]。这些卓越的特性使石墨烯在能量存储、太阳能电池、可穿戴设备和催化等领域具有广泛的应用前景[6,7]。另一方面，由于其特殊的能带结构，石墨烯被归类为半金属材料，这虽然赋予了它极佳的电气性能，但限制了其在低功耗电子开关逻辑电路中的应用[8,9]。在这种情况下，其他类似石墨烯的2D材料也受到了关注，以弥补石墨烯的不足并扩展2D材料的应用范围[10,11]。其中，二硫化钼（MoS₂）因其独特的带隙特性而受到科学界的广泛关注，使其有望克服无带隙石墨烯的局限性，从而在许多科学和工程领域发挥作用[12,13]。

在实际应用中，MoS₂常与聚合物、金属、陶瓷和生物材料等基底结合，以实现功能化[14,15]。在各种基底材料中，尤其是铜（Cu）因其优异的导电性和导热性而备受关注[16,17]。据报道，Cu-MoS₂复合材料具有独特的等离子体共振现象，可增强光电活性[18]。MoS₂/Cu体系表现出极低的接触电阻，为开发具有更好传输特性的2D电子设备提供了新途径[19]。在Cu表面添加MoS₂层后，由于Cu/MoS₂界面处的部分镜面反射作用，Cu的电阻率显著降低[20]。此外，MoS₂/Cu复合材料还可作为光敏电催化氢气析出反应的电极[21]。通常，MoS₂/Cu复合材料中MoS₂与Cu之间的相互作用主要受范德华（vdW）力支配，而非强化学键。因此，MoS₂/Cu复合材料的性能在很大程度上取决于MoS₂层与Cu层之间的相互作用。

在柔性电路的反复弯曲或微机电系统中的循环载荷等实际使用条件下，MoS₂/Cu复合材料经常承受面内载荷[22,23]。在这种载荷下，界面不仅需要传递局部应力，还需调节Cu基底的宏观塑性变形。根据以往对2D材料/金属复合材料的研究，2D材料的界面滑移和皱褶以及位错与2D材料之间的钉扎效应已成为影响其可靠性的关键力学挑战[24],[25],[26],[27]。此外，当MoS₂/Cu复合材料受损时，变形引起的应力会导致MoS₂的其他物理性质发生变化，例如拉曼光谱峰位的移动和导电性的降低[28],[29],[30],[31],[32]。因此，建立MoS₂/Cu复合材料面内拉伸与界面变形之间的定量结构-性能关系对其在各种应用中的可靠性设计至关重要。然而，关于Cu/MoS₂界面力学特性的研究仍较为有限。

本文通过原位拉伸试验和MD模拟，研究了转移到Cu基底上的MoS₂纳米片的界面力学行为。原位拉伸测试结果表明，不同厚度的MoS₂纳米片在底层Cu基底受拉伸时表现出不同的变形行为。在Cu上转移的单轴拉伸MD模拟中也观察到了类似的现象。基于一系列MD模拟和理论分析，我们发现不同厚度MoS₂纳米片力学行为的变化归因于MoS₂/Cu界面传递的载荷与MoS₂纳米片弯曲刚度之间的竞争。

样本制备与表征

样品制备与表征

对于原位拉伸试验，使用了如图1a所示的狗骨形状的纯Cu（纯度99.99%及以上）基底，厚度为2毫米。为减少表面粗糙度的影响，对Cu基底的一个表面进行了精细的机械抛光处理，随后依次用乙醇和去离子水清洗，并进行氧等离子体处理以进一步去除表面吸附的污染物。

薄层MoS₂纳米片是从市售的MoS₂晶体中机械剥离获得的

结果与讨论

如图S2中的AFM图像所示，抛光后的Cu基底表面非常光滑。因此，MoS₂/Cu体系的表面呈现出极平整的状态，如表S2所示。MoS₂涂层的厚度可以通过图2a中的AFM显微图测量得到，图中MoS₂涂层与Cu基底之间有明显的台阶。此外，Cu基底上MoS₂段的平整度还可以通过SEM形态学进一步验证

结论

本研究通过原位拉伸试验、MD模拟和理论分析，研究了转移到Cu基底上的多层MoS₂纳米片的变形行为。实验发现，不同厚度的MoS₂涂层在Cu基底拉伸过程中表现出不同的变形行为：薄层MoS₂纳米片出现小振幅的皱褶现象，而

作者贡献声明

Jin Ke：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，软件应用，方法论设计，实验研究，数据分析。Jin Zhang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据验证，项目监督，资源协调，资金申请，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金（资助编号：2022A1515010631）和深圳市科技创新计划（资助编号：GXWD20220811164345003）的支持。