纳米带在凹面基底上的失稳行为调控机制及其在纳米器件设计中的应用

本研究针对纳米带在非平面基底上的失稳行为机制不明这一关键问题，通过分子动力学(MD)模拟与理论建模，揭示了短边长度(l2 )、基底曲率(κ)和界面粘附能对石墨烯纳米带临界起皱行为的调控规律，提出通过尺寸优化和拼接结构抑制失稳的策略，为二维材料力学性能优化及柔性电子器件设计提供了理论支撑。

　　

在柔性电子器件和纳米技术快速发展的今天，二维材料纳米带因其独特的电学、光学和力学性能成为研究热点。然而，当这些厚度仅原子层级的纳米带与曲面基底结合时，不可避免会产生褶皱、弯曲等失稳行为。这种失稳既是挑战——可能影响器件性能稳定性，也是机遇——若能精准调控，可赋予材料新功能。目前针对纳米带在平面基底上的失稳机制已有较多研究，但对其在凹面基底这一更接近生物组织曲率或微型光学元件复杂表面的环境中的行为认知仍属空白。

为填补这一知识缺口，国内研究人员通过分子动力学(MD)模拟结合理论分析，系统研究了石墨烯纳米带在半球形金刚石凹面基底上的失稳行为。研究团队首先构建了长边(l₁
)大于短边(l₂
)的纳米带-基底模型，采用AIREBO势函数描述碳原子相互作用，Lennard-Jones势表征界面粘附能。通过能量最小化原理和模态分析，建立了预测临界失稳条件的理论框架。

模拟模型和方法
研究发现纳米带短边长度是主导失稳的关键参数。当l₂
超过临界值时，系统总势能曲线出现分叉，纳米带从稳定附着状态突变为周期性褶皱形态。MD模拟直观展示了这一转变过程：初始平整的纳米带随l₂
增大逐渐形成波长约5nm的对称波纹，与理论预测的Euler梁屈曲模式高度吻合。

理论分析
建立的曲率-能量耦合模型揭示：基底半径(R=1/κ)通过改变局部应变分布影响失稳阈值。当R从10nm增至50nm时，临界l₂
相应提升40%，表明大曲率基底更易诱发失稳。界面粘附能(γ)的作用呈现双面性：较低γ(<0.1J/m²
)时，增强粘附能可抑制失稳；但过高γ(>0.3J/m²
)反而会因界面约束过强导致二次屈曲。

结果和讨论
研究提出两种抑制失稳的实用策略：一是将纳米带短边控制在临界长度以下（如l₂
<8nm@R=20nm）；二是引入周期性拼接结构，通过局部位错释放应变能。后者在保持器件整体尺寸的同时，使失稳阈值提升达60%。特别值得注意的是，MoS₂
纳米带的对比模拟显示，其更高的弯曲刚度使临界l₂
比石墨烯高15-20%，为材料选择提供指导。

结论
该研究首次系统阐明了纳米带在凹面基底上的失稳机制，建立的"尺寸-曲率-粘附能"调控模型为柔性电子器件（如植入式生物传感器、可调谐光学元件）的设计提供了量化依据。提出的临界长度准则和拼接结构方案，可直接应用于纳米器件制造工艺优化。这些发现不仅丰富了二维材料力学理论体系，更推动了从"被动适应失稳"到"主动调控失稳"的技术范式转变。

论文创新性体现在三方面：首次建立凹面基底纳米带失稳的普适性理论模型；发现短边长度的决定性作用这一反直觉现象；提出具有工艺可行性的失稳抑制策略。未来研究可进一步拓展至其他二维材料（如hBN、磷烯）及更复杂曲面形貌，推动纳米力学与微纳制造的深度融合。