基于扫描探针的石墨原子台阶摩擦化学磨损性能研究

摘要

石墨烯因其独特的电学、光学和力学特性，在多个领域拥有广阔的应用前景。基于石墨烯的新型电子器件降低了材料物理极限对器件特征尺寸的限制，提高了芯片的性能和工作效率，并且石墨烯在纳米尺度下拥有极高的强度和超滑特性，是微机电系统理想的润滑防护涂层。然而，石墨烯在宏观尺度下快速失效的超滑特性限制了石墨烯防护涂层的应用范围，因此石墨烯润滑失效的机理成为了石墨烯的研究热点。台阶作为石墨烯重要的特征结构，其边缘的不饱和碳悬键降低了石墨烯的局部强度，也削弱了石墨烯的减磨抗磨特性。因此，研究石墨烯台阶的磨损性能并探索一种直接加工石墨烯微纳结构的方法，不仅为揭示石墨烯宏观尺度下润滑失效机理提供了理论支持，也增加了石墨烯加工技术的技术储备，促进了石墨烯的器件化。近年来，国内外学者已经对石墨烯的摩擦磨损性能进行了较深入的研究，但主要是研究石墨烯平面的抗磨特性和台阶边缘的摩擦力响应，对台阶结构对石墨烯磨损性能的影响缺乏系统的研究，石墨烯台阶的磨损机理也尚不明确。并且，目前提出的石墨烯加工方法都处于实验室研究阶段，由于存在各种不可调和的缺点而不能用于实际的工业生产。石墨烯的器件化仍缺少一种简单、经济且直接的石墨烯加工方法。　　鉴于以上原因，本文着重从微观尺度研究了石墨原子台阶边缘的磨损规律及机制。首先，使用原子力显微镜在石墨原子台阶边缘进行微观磨损实验，研究不同探针在台阶边缘的磨损结果，初步区分石墨烯台阶的两种磨损形式，即机械磨损和摩擦化学磨损。在此基础上，系统研究源于石墨原子台阶的摩擦化学磨损规律，探究了载荷和循环次数等实验参数以及碳原子排布方向对摩擦化学磨损的影响。最后，通过分析和测试，总结了源于石墨原子台阶的摩擦化学磨损机理，从而提出一种基于扫描探针技术的石墨烯规则微纳结构加工新方法。本文的主要研究内容和创新点归纳如下：　　(1)探明了源于石墨烯台阶的两种磨损形式，即机械磨损和摩擦化学磨损　　通过比较不同扫描探针在单层石墨烯台阶的微观磨损结果，发现石墨烯台阶处磨损根据破坏形式不同分为两类，即机械磨损和摩擦化学磨损。在高化学惰性表面的金刚石探针作用下，石墨原子台阶处的磨损形式主要表现为机械主导作用下石墨烯原子层的褶皱、层叠和断裂。当采用高化学活性表面的硅或二氧化硅探针时，石墨台阶边缘的磨损形式转变为摩擦化学作用主导下的原子剥离。石墨烯台阶处的机械撕裂会沿一定的方向扩展，因此机械磨损产生的材料破坏范围远大于探针与石墨的接触区域。然而，摩擦化学作用主导下石墨烯原子的剥离仅发生在接触区域内，磨损宽度小于探针与石墨的接触直径。　　(2)阐明了石墨烯原子台阶处的摩擦化学磨损规律　　摩擦化学作用下，石墨原子台阶处的原子剥离随循环次数增加表现为沿台阶边缘向内循序渐进的扩展过程，且原子去除个数与循环次数呈线性增加的关系，磨痕的宽度与载荷成指数关系。除此之外，载荷等机械作用的增加可增大碳原子的去除个数以及加快碳原子剥离的速度。石墨烯台阶的角度和边缘结构影响探针的摩擦力响应，因此原子级磨损表现出各向异性；当探针滑动方向垂直于台阶时，台阶发生原子剥离的临界载荷和磨损次数都最小。　　(3)初步揭示了源于石墨原子台阶边缘的摩擦化学磨损机理　　与石墨烯台阶的机械磨损相比，摩擦化学磨损除破坏形式不同外，发生磨损的临界接触压力也呈倍数降低。另外，摩擦化学磨损产生的磨屑呈团絮状，多堆积于沟槽两端和探针表面，检测结果表明磨屑中同时含碳、氧和硅元素，验证了石墨、硅针尖与空气(氧和水)间机械剪切诱导化学反应的发生。进一步分析发现，石墨烯台阶边缘的摩擦化学磨损遵循机械能激活的化学反应动力学模型，即机械切向作用于石墨台阶边缘，降低化学反应的势垒，导致碳原子间化合键在远低于其断裂强度的接触压力下发生破坏，而石墨原子去除个数或去除速率与接触压力表现出指数增长关系。　　(4)建立了基于摩擦化学作用机制的石墨烯规则微纳结构加工新方法　　石墨台阶边缘在摩擦化学作用下表现为碳原子可控剥离。基于该原理，提出了一种石墨烯表面微纳结构的扫描探针加工新方法。利用此加工方法在石墨烯台阶边缘加工的纳米结构形状规则，宽度可控，并且可根据探针的运行轨迹实现了不同结构的微纳图案加工，如纳米通道，纳米字等。该方法具有操作简单、灵活性强等特点，为石墨烯微纳器件的制备提供了一种全新的加工途径。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2 石墨烯材料的应用

1.3石墨烯的优良特性及加工方法

1.3.1 石墨烯的优良特性

1.3.1 基于扫描探针技术的石墨烯加工方法

1.4 石墨烯磨损性能的研究现状

1.4.1 石墨烯在不同尺度下的磨损性能

1.4.2 石墨烯台阶磨损性能的研究

1.5 选题意义及内容

1.5.1 选题意义

1.5.2 研究方案和内容

第2章 实验材料和研究方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.2.1 原子力显微镜

2.2.3分析表征设备

2.3 探针类型及实验方法

2.3.1磨损探针类型

2.3.2微观磨损实验方法

2.3.3 黏着力检测

2.3.4 摩擦力测试及计算方法

2.3.5 原子力探针悬臂梁扭转刚度标定

2.4 本章小结

第3章 探针对石墨烯原子台阶磨损的影响

3.1 石墨烯的两种磨损形式

3.2 石墨烯台阶的机械磨损

3.2.1 载荷对石墨烯台阶机械磨损的影响

3.2.2 石墨烯台阶机械破坏的机理解释

3.3 石墨台阶的原子级磨损

3.3.1 Si/SiO2探针在石墨烯台阶的原子级磨损行为

3.3.2载荷对石墨烯台阶原子级磨损宽度的影响

3.4石墨烯台阶原子级磨损的规律

3.4.1石墨烯台阶原子级磨损过程的分析

3.4.2载荷对石墨烯台阶原子级磨损长度的影响规律

3.5各向异性对石墨烯台阶原子级磨损的影响

3.5.1各向异性对石墨烯台阶磨损临界载荷的影响

3.5.2各向异性对石墨烯台阶磨损次数的影响

3.6 本章小结

第四章 石墨烯台阶原子级磨损的机理及其应用研究

4.1 石墨烯台阶结构对其磨损性能的影响

4.2不同探针磨损石墨烯原子台阶的临界接触压力

4.2.1 石墨烯弹性模量的测量

4.2.2不同探针在石墨烯平面上黏着力的比较

4.2.3不同探针磨损石墨烯原子台阶的临界接触压力

4.3石墨烯台阶原子级磨损的机理

4.3.1 Si/SiO2探针石墨烯界面的相互作用力

4.3.2 石墨烯原子级磨损的磨屑形态及元素分析

4.3.2 石墨烯台阶原子级磨损去除模型

4.4 扫描探针技术加工石墨烯微纳结构及其应用

4.5 本章小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果