复杂环境下基底与扫描探针间相互作用的研究

摘要

在纳米尺度下，受材料尺寸效应影响，与表界面相关的一些作用力显著增强，它们对环境的影响也更为敏感。在空气环境中，由于气体分子的影响，纳尺度下材料的物理力学性质与真空相比有较大差异；在纳尺度受限环境中，流体的物理性质也能发生重要改变；而一些外场的作用更是加剧了材料物理力学性质的改变，甚至诱导一些化学性质的变化。这些性质的改变一方面会影响到材料及相应器件在实际应用中性能的稳定性，另一方面也会导致一些新原理的产生，因此对不同的复杂环境中材料表面间在纳尺度下的相互作用进行研究是非常必要的。扫描探针显微镜是研究纳尺度表面力作用的重要工具，并支持空气、真空以及外场等多种环境下的操作，同时针尖与基底间能形成纳尺度的受限环境，这为研究复杂环境下纳尺度表面相互作用提供了有利条件，并直接导致针尖物理力学研究的兴起。基于这些，本文利用扫描探针显微镜，研究了不同的针尖与新解理云母基底在空气、真空环境以及外加电场作用下的粘附和摩擦行为，毛细凝结水在受限环境及电场作用下的物理力学行为，以及外电场下导电针尖与新解理高定向石墨（HOPG）表面间的相互作用情况，取得了以下进展：
　　 （1）研究了空气和10-3Pa的真空环境中外加载荷对氮化硅针尖与云母表面间的摩擦力的影响，发现在小于20 nN的极低载荷下，空气和真空环境中实验测得的摩擦力与外加载荷呈近似线性增长的关系，表明实验中针尖与云母表面存在多个粗糙峰的接触；且真空环境下测得的摩擦力比空气环境中测得的值大，这是由于空气环境中云母表面吸附的水膜起了一定的润滑作用。分别用氮化硅针尖和金刚石膜针尖研究了空气环境中不同载荷以及外加电场条件下、2μm/s以下速度范围内扫描速度对摩擦力的影响，发现随着扫描速度增大，摩擦力非线性增加，结合探讨原子尺度摩擦起源的热激发模型，对摩擦力与扫描速度的关系进行了理论分析，进一步实验证实了不同的环境及摩擦体系中摩擦力与扫描速度间的对数依赖关系，即FL：lnvs具有较为普遍的适用性。通过对空气环境中外加电场条件下氮化硅针尖与云母表面间摩擦力的实验研究，发现外加电场条件下的摩擦力升高，且随正或负偏压的增加而增大；但外加负偏压时，摩擦力比正偏压时升高更显著，表明外加负偏压对氮化硅针尖与云母表面间的摩擦力有更强的影响。
　　 （2）通过对室温下、空气和真空环境中外加电场时亲水性的镀Pt导电针尖与云母表面的摩擦和粘附特性的研究，我们发现空气环境中对基底施加负偏压时，摩擦曲线和力－位移曲线呈现明显与传统曲线形状不同的奇特变化，即摩擦曲线完全倾斜而力－位移曲线返回段出现弯折，粘附力明显较低，当不施加偏压以及偏压为正时，曲线形状不发生这种变化；在真空环境中曲线形状也不受外加偏压影响，表明空气中针尖与基底表面间形成的毛细水凝结体受外加负偏压的影响导致了曲线的异常变化。从力学角度分析发现毛细水凝结体具有类似于冰的杨氏模量，表明在外加电场的作用下，受限环境中的毛细凝结水在室温下发生了相变凝结形成了类冰状结构。当利用具有疏水性的镀金刚石膜导电针尖进行类似实验时，发现摩擦曲线出现与镀Pt 针尖的结果相似的变化，不同的是其倾斜变化显示为一个逐渐发展的过程，倾斜程度随负偏压值和保持时间的增加而加剧，毛细凝结体的力学性质也与冰状结构相近；而力－位移曲线的变化则与镀Pt 针尖得到的曲线完全不同，即在空气环境中外加正偏压时曲线跳入接触后和跳离接触前均出现严重滞后，且粘附力降低，这显示正偏压时金刚石膜针尖与基底间的毛细水具有液态容量水的特征，而其他环境条件下则无变化。两种针尖的实验结果对比表明，外加偏压对针尖与云母基底间摩擦和粘附行为的影响与针尖材料表面性质有重要关系。
　　 （3）在一定湿度的空气环境中，通过对HOPG基底间施加一定正偏压，发现可以在HOPG 表面产生一些具有凸起或凹陷形貌的两种不同的纳米结构。当外加负偏压较低或保持时间较短时，得到的纳米结构为凸起形状，但随着偏压增大或保持时间延长，凸起的纳米结构会向凹陷结构转变，且其凹陷深度随偏压或保持时间增加而迅速增大。实验发现两种纳结构转变的电压阈值随时间增加而降低，直到+5 V 左右保持不变；电压阈值与时间阈值间存在一定的函数关系，结合实验现象和数据分析结果，我们认为形貌转变的最低电压在4～5 V 之间。对纳结构形成机理的分析中，我们提出HOPG表面纳结构的形成是由于外电场诱导针尖下基底表面与水分子或氧分子间的化学反应而产生的，其形成过程可分为两个阶段，先是由于外电场作用下HOPG上集聚大量的空穴诱导空气中水或氧气分子在HOPG表面吸附，导致石墨层表面晶格发生应变形成凸起结构，然后由于HOPG 表面凸起结构应变增大导致上层碳键断裂产生空位，诱导水或氧气分子发生离解吸附使碳层氧化释放出CO 或CO2，形成凹陷的纳米结构。