内核/壳层微结构上应力诱导点阵花样研究

　　薄板、薄壳体在负载作用下或因其他原因会在体内形成应力, 且当内应力超过临界应力后, 原有的结构不再稳定, 原来平整的平板或壳体会发生屈曲(buckling)形变. 应力引起的屈曲现象广泛存在, 并且得到了大量研究[1]. 人们很早就发现, 屈曲形变在特殊的几何结构和边界条件下会产生高度有序结构.

　　如何实现给定花样、高度有序、形状尺寸均一的微纳米结构的生长, 是纳米科技中的一大重要问题.科学家们想尽各种方法要实现此目的, 薄膜发生屈曲形变最终可形成有序褶皱花样的性质便引起了此领域研究人员的关注. 最近的大量研究证实了沉积在软弹性衬底上的硬质薄膜在收缩应力作用下自发形成有序屈曲花样的可行性, 并且发展了一些方法来控制所形成的有序花样[2~9]. Bowden 等人发现, 当一层金属薄膜沉积在厚的人造橡胶 PDMS 弹性基底上时, 两者之间大的热膨胀系数差异导致体系在降温时产生等双轴应力. 当到达某一临界温度时, 薄膜发生弹性屈曲形变; 进一步冷却, 屈曲幅度增大, 但屈曲模式的波长不变. 在此过程中, 薄膜仍保持附着在基底上[2]. 类似的现象也可在表面经过氧化[3]或修饰[5]的薄膜中看到. 研究表明只要基底是平面的, 最常出现的褶皱结构是折线型的迷宫结构[10]或鲱鱼骨状结构[11,12]. 除了通过形成有序结构作为模板应用于器件的制造外[13,14], 这种在压应力下形成褶皱的性质还可应用于可伸缩性的结构互联[15,16], 以及材料力学性质的测量[17].

　　已有大量的实验及理论工作研究这种弹性衬底上束缚硬质薄膜体系屈曲褶皱的形成机制, 以及如何去操控使其形成高度有序结构的问题. 通过选择性地处理基底, 如改变基底表面的弹性模量[5]、拓扑结构[2]或添加钉扎等方法, 使基底得以实施不同的约束, 薄膜的屈曲模式将表现出更多奇特的结构[18]. 理论计算表明, 当平面膜受到等双轴压应力时, 在众多模式中, 鲱鱼骨型屈曲模式具有最小的应变能[11,12],而迷宫型模式则依赖于各向异性的薄膜应力[19~21].

　　实验上, 在一些无机体系中已获得了这些不同结构[2],这就表明可以通过控制在膜-基底体系形成不同取向的压应力, 从而获得不同的屈曲结构. 关于褶皱形成问题, 已有一般性的理论讨论[6,22].然而, 之前的大量研究主要集中在平面几何结构上的屈曲形变, 而基底曲率对褶皱结构的影响则鲜有涉及. 薄壳体的屈曲形变对壳体的曲率高度敏感[23,24]. 就我们所知, 弯曲基底上薄膜自发屈曲驱动自组装的问题尚没有人研究. 基底曲率对屈曲花样如何影响, 以及在增加薄膜应力时结构如何演化等问题都还不清楚. 另外, 封闭表面上的屈曲行为也不同于带有自由边界表面上的行为, 因为两者的拓扑是不同的: 如球面这样的 2 维闭合表面, 其亏格数是 0; 而带自由边界的表面不论是平面还是曲面,亏格数都是 1. 因此, 在球面上的屈曲花样将显示一些主要受拓扑约束的结果. 除球面外, 其他形式的曲面上应力的分布形式如何? 菲波纳契花样为何频繁地在大自然中出现, 且支撑表面只需约是一锥形表面? 对这些问题的研究将有利于我们理解在植物花托、胶体团簇以及液滴等弯曲表面上的花样形成机制.