Page 112 - 《摩擦学学报》2021年第5期

第 5 期 钱宇, 等: 基于不同探针作用下石墨烯边界效应的摩擦调控 701

于抗摩擦磨损是1个永恒的主题，其促进了石墨烯在 形探针(A探针)和球形探头(B探针). 对于具有球形尖
MEMS/NEMS器件中的工程应用，因此，需要更多新 端的探针(探针B)，硅球形粒子用Epikote粘附在无尖
的、更实用的方法来降低石墨烯的摩擦. 端悬臂梁(TL-NCH，纳米传感器)上. 试验前，用扫描
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在之前的研究中，Lee等 发现，通过增加SiO /Si 电子显微镜(SEM)对针尖的形状进行了细致的表征.
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基底上石墨烯层的数量，可以减小石墨烯的摩擦. 可以通过扫描电子显微镜(HITACHI S-4 800)确定针
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Zeng等 通过对石墨烯进行等离子体处理，发现随着 尖的半径并确定它是否磨损.

处理时间的延长，石墨烯与SiO /Si基底之间的粘附力 1.2 试验方法
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增加，而其摩擦力却减小. Sasaki N等 通过摩擦力显 试 验 所 采 用 的 原 子 力 显 微 镜 是 美 国 Asylum
微镜(FFM)对石墨表面进行了摩擦试验，结果表明通 Research公司生产的MFP-3D型多功能原子力显微镜.
过改变探针的滑动方向可以有效地调控石墨的摩擦力. 采用轻敲模式(tapping)表征石墨烯的形貌，在侧向力
上述方法可以降低石墨烯的摩擦力，但操作过程 模式下测量石墨烯的摩擦力. 所选用的探针为锥形探
复杂. 本文作者提出了一种相对简单、通用的方法来 针和球形探针. 锥形探针的曲率半径、弹性系数和共
调控机械剥离石墨烯的摩擦力. 研究表明，石墨烯的 振频率分别为10 nm、1.50 nN/nm 和 69.627 kHz；而球
面积在碳同素异形体中是最大的，由于其两边可用 形探针的曲率半径、弹性系数和共振频率分别为600 nm、
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性，其比表面积达到了2 630 m /g. 因此，可以推断石 1.97 nN/nm和 69.653 kHz. 对于锥形探针，在摩擦试验
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墨烯具有很强的吸附能力 [18-19] . 例如，在100个原子、 前，用热噪声谱法 确定探针尖端的法向力常数，并
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195 K和1个大气压条件下，其对CO 的吸附能力为35% . 用sader法 得到探针的侧向力常数；对于球形探针，
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Ohba等 通过模拟和试验证实了石墨烯的边界效应， 在摩擦试验前，采用热噪声谱法确定探针的法向力常
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且发现该边界点可以在低压下吸附二氧化碳. 在本试 数，而采用磁悬浮法 得到探针的侧向力常数. 采用
验中，石墨烯的摩擦力由其边界效应所控制. 在单层 上述标定方法得到的锥形探针和球形探针的侧向力
石墨烯的边界位置处有一些不饱和的悬挂键，其可以 常数分别为483和1 464 nN/V. 粘附力是通过测量拉拖
吸附空气中的氮气或二氧化碳. 这种吸附作用能够抑 力来确定的，拉拖力是将原子力显微镜尖端拉离石墨
制石墨烯的面外变形. 当锥形探针和球形探针分别作 烯表面的最大力，其可以通过力-位移曲线直接测量
用于单层石墨烯表面的不同区域时，由于探针在石墨 得到. 通过5次不同位置的拉拖力测量，得到了具有标
烯表面滑动过程中产生的主导变形不同，不同的摩擦 准偏差的粘附力. 用作粘附力测量的法向载荷为5 nN，
现象被观察到. 通过改变针尖形状，有效地改变了褶 且加载的频率为1 Hz. 在所选的100 nm×100 nm的区
皱效应的相对强度，从而调节了摩擦力对褶皱效应的 域上，以恒定5 nN的载荷进行摩擦试验. 通过施加-
依赖关系. 然而，多层石墨烯的摩擦现象是相似的，由 7~25 nN范围的载荷，研究了载荷效应对石墨烯摩擦
于它们的边界效应不显著. 这是首次揭示在不同探针 力的影响. 分别使用锥形探针和球形探针，在选定的5 nm
的作用下边界效应对石墨烯摩擦力的影响，并提供了 区域上进行了原子尺度的黏滑试验. 所有的摩擦试验
一种有效抑制二维材料褶皱效应的试验方法. 这一结 均在20～30 ℃的温度和40%～50%的相对湿度下进行.

果为石墨烯的纳米接触行为及其摩擦控制方法提供
2 结果与讨论
了大量的有效信息，对其在纳米器件中的应用具有重
要指导意义. 2.1 不同厚度石墨烯不同区域的摩擦力

石墨烯的厚度是其摩擦力的1个重要影响因素，
1 试验部分
因为石墨烯的变形取决于其厚度 . 试验装置示意图
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1.1 材料及制备 及相应探针形貌的SEM照片如图1所示，图1还显示了
在这次试验中，用干氧化法制备出具有300 nm厚 在SiO /Si基底上用于摩擦试验的石墨烯的形貌图和
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度SiO 的掺N硅基片，分别在丙酮溶液、乙醇溶液和去 截面高度图. 由高度图可知：石墨烯的厚度分别为0.6、
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离子水中超声处理10 min，然后用氮气将其吹干. 1.1和2.0 nm. 据报道，单层石墨烯的理论厚度为0.35 ±
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石墨烯是通过从高取向热解石墨(HOPG)中机械 0.01 nm ，然而，由于AFM仪器的误差、SiO /Si基底
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剥离制备的，将其从真空室中取出之后放置在上述清 与石墨烯之间的间隙以及石墨烯表面与尖端之间存
洗过的SiO /Si基底上. 此外，还使用了两种探针，即锥 在水膜，单层石墨烯的实际厚度为0.6~1.1 nm.
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