随着微纳器件的不断小型化，粘附问题已成为制造过程中不可忽视的关键挑战。特别是在微机电系统（MEMS）、柔性电子器件和微型机器人领域，对自支撑纳米薄膜的需求使对粘附力的控制显得尤为重要。为了解决薄膜与生长衬底之间的粘附问题，纳米薄膜的释放工艺被广泛应用于制造环节。传统的MEMS制造中通常采用表面微结构加工工艺，通过在牺牲层上沉积纳米薄膜，并通过选择性蚀刻牺牲层来实现薄膜的释放。然而，这种方法对薄膜与牺牲层的材料匹配提出了严格要求，限制了工艺的适用性，且牺牲层的刻蚀会影响自支撑薄膜的质量。高分子牺牲层的引入解决了部分问题，但该牺牲层无法承受高温沉积过程，限制了其应用范围。因此，亟需一种通用的策略，以实现适用于多种材料的高质量自支撑薄膜的释放与三维微结构构建。
另一方面，粘附力过弱可能导致薄膜自发从衬底剥离或起皱，这是MEMS制造过程中常见的失效问题。但这一现象也启发了通过调节粘附力实现薄膜释放的新方法。例如，通过在衬底上设计预沉积层形成范德华黏附，再通过液体插层的方式破坏该黏附实现薄膜的释放。然而，该方法要求特殊的金属-氧化物材料对，限制了其适用材料种类及复杂微结构的集成。
近日。我院梅永丰教授团队在《ACS Nano》上发表了题为《Nanomembrane on Graphene: Delamination Dynamics and 3D Construction》的研究论文。针对以上挑战，该研究工作提出了一种基于石墨烯衬底的纳米薄膜释放策略，利用石墨烯作为二维材料的特殊表面性质，实现了纳米薄膜的大规模、可控释放及三维微结构构筑。通过施加液体插层、热处理及机械弯曲等外界刺激，可以克服范德华作用力，使薄膜从石墨烯基底释放，并因应变梯度自发卷曲成管状或螺旋状结构。通过对体系进行能量分析揭示了这一便捷释放过程的机制。通过预设图案、可调沉积参数和可控卷曲方向，成功实现了金属、半导体和氧化物等多种无机纳米薄膜的释放及复杂三维微结构的精准构建。基于该释放策略的应用包括具有多样运动模式的管状微型机器人及可以原位包裹患处的可降解神经支架。这一基于石墨烯的策略为多材料、多形态的功能化三维微结构构建提供了通用平台，能够满足复杂应用需求。
图1 基于石墨烯衬底上的纳米薄膜的三维卷曲结构构建。
复旦大学材料科学系博士生吴越为该论文的第一作者，梅永丰教授为论文的通讯作者。该工作得到了国家科技攻关计划、国家自然科学基金、上海市科学技术委员会、上海市人才计划的支持。部分实验在复旦大学微纳加工与器件公共实验室开展。
文章信息：
Yue Wu, Xinyuan Zhang, Zhe Ma, Yongfeng Mei* et. al., Nanomembrane on Graphene: Delamination Dynamics and 3D Construction. ACS Nano, 2025, 19, 1, 331–344.
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c07589
Nanomembrane on Graphene: Delamination Dynamics and 3D Construction
Freestanding nanomembranes fabricated by lift-off technology have been widely utilized in microelectromechanical system, soft electronics, and microrobotics. However, conventional chemical etching strategy to eliminate nanomembrane adhesion often restricts material choice and compromises quality. Here, we propose a nanomembrane-on-graphene strategy that leverages the weak van der Waals adhesion on graphene to achieve scalable and controllable release and 3D construction of nanomembranes. This fragile adhesion allows for precise delamination under stimulations such as surface tension, thermal treatment, and mechanical bending. This strategy is compatible with various inorganic materials including oxides, semiconductors, and metals, and allows for precise control of rolling and folding into 3D microstructures. Demonstrations include tubular microrobots with diverse locomotion and biodegradable nerve scaffolds based on facile delamination. Our nanomembrane-on-graphene strategy offers a versatile platform for fabrication of functionalized microstructures.
Article information:
Yue Wu, Xinyuan Zhang, Zhe Ma, Yongfeng Mei* et. al., Nanomembrane on Graphene: Delamination Dynamics and 3D Construction. ACS Nano, 2025, 19, 1, 331–344.
Article link:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c07589