1.3 石墨烯与基底间的界面吸附性质

单层石墨烯是由单层碳原子以sp²杂化呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体。石墨烯内部碳原子之间的连接非常柔韧，当外力作用于石墨烯时，石墨烯发生弯曲形变，而其中碳原子不会重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。而且，石墨烯在表面力的作用下将会与基底表面紧密吸附。近年来，针对石墨烯膜与基底材料间吸附力学特性，国内外学者开展了大量理论与实验研究。

2010年，新加坡Dunn等人^[37]利用范德瓦耳斯力原理，分析了石墨烯与刚性碳基底间的吸附作用。理论结果与原子仿真结果均表明，范德瓦耳斯力是石墨烯吸附作用的主要来源。

2011年，美国Koenig等人利用AFM研究了石墨烯膜与SiO₂基底间的吸附特性，发现单层石墨烯具有更大的吸附能，测量得到单层石墨烯与基底间的吸附能为（0.45±0.02）J/m²，少层（2～5层）石墨烯与基底间的吸附能为（0.31±0.03）J/m^2[6]。单层石墨烯之所以比多层石墨烯具有更大的吸附能，是因为单层石墨烯有更好的柔性，可以紧随基底表面的形态变化，形成更大的范德瓦耳斯力。

2012年，韩国Yoon等人应用断裂力学理论，利用双悬臂梁测试的方法测量了单层石墨烯与Cu基底间的吸附能为（0.31±0.03）J/m^{2 [38]}。次年，美国东北大学Li等人在Au基底上设置了“Au柱阵列”，建立Au界面与石墨烯间的吸附能模型，测得两者界面间的吸附能为（0.45±0.1）J/m^{2 [39]}。

2014年，湖南师范大学何艳等人利用原子间松弛原理，理论推导了不同层厚石墨烯与不同基底间（石墨烯/SiO₂、石墨烯/Cu、石墨烯/Cu/Ni、Cu/石墨烯/Ni）的吸附能范围。研究发现，层厚与临界距离是影响石墨烯吸附能的主要因素，其中临界距离随着层厚的增加而减小^[40]。

2015年，美国Jiang等人基于Dugdale理论和改进的Rumpf模型，通过改变原子探针材料，利用AFM测量了不同材料的探针与石墨烯之间的吸附能，其中单层石墨烯与SiO₂基底和Cu基底间的吸附能分别为0.46 J/m²和0.75 J/m^{2 [41]}。

2016年，英国剑桥大学Kumar等人融合有限元与分子动力学仿真，分析了石墨烯与基底间吸附作用不仅与范德瓦耳斯力有关，还与Si-O键和石墨烯间的键能作用有关，这一成果为吸附理论研究提供新的可能^[42]。同年，意大利米兰大学Budrikis等人利用分子动力学仿真，分析了悬浮石墨烯膜的温度响应。结果表明，膜片中心下沉深度与温度、界面作用强度近似成正比，如图1.8所示^[43]。

图1.8　石墨烯温度响应分子动力学仿真结果[43]

近年来，笔者所在课题组通过引入吸附能参数，建立了悬浮石墨烯膜与基底间的吸附能与薄膜预应力之间的关系，获取吸附能对石墨烯膜压力敏感特性的影响规律，并提出了间接求解吸附能的测量方法，利用声压测试实验平台进行了基于动态声压测试的吸附能计算。实验结果表明，6～8层石墨烯与ZrO₂基底间的吸附能约为0.286 J/m²，10～15层石墨烯与ZrO₂基底间的吸附能约为0.275 J/m^{2 [44]}。在此基础上，进一步实现了基于纳米金颗粒填充于石墨烯膜泡的薄膜与SiO₂基底间的吸附能的直接测量方法。结果表明，单层和3～5层石墨烯与SiO₂基底间的平均吸附能分别为0.453 J/m²和0.317 J/m²，而约13层厚石墨烯与SiO₂基底间的吸附能约为0.277 J/m^{2 [45]}。所得实验结果与前人文献中的理论与实测值相吻合。

这些研究表明，石墨烯膜的吸附力学特性会直接影响石墨烯膜光纤F-P传感器的性能，已成为国内外前沿研究热点。因此，以提高传感器性能为目标，获取微纳尺度下石墨烯与基底间吸附力学特性及其对石墨烯传感器响应特性的影响因素及规律，具有重要的理论价值与实际的应用价值。