Page 114 - 《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 703

5.0
(a) (b)
0.7 Conical probe−2.0 nm graphene
Conical probe−1.1 nm graphene 4.5
0.6 Conical probe−0.6 nm graphene
Friction/nN 0.5 Friction/nN 4.0 Spherical probe−2.0 nm graphene

3.5
Spherical probe−1.1 nm graphene
0.4
3.0 Spherical probe−0.6 nm graphene
0.3
0.2 2.5
1 2 3 4 1 2 3 4
Scan region Scan region

Fig. 2 Average friction force of four scan regions on graphene: (a) under the action of conical probe, (b) under
the action of spherical probe
图 2 石墨烯 4 个扫描区域的平均摩擦力: (a)在锥形探针的作用下; (b)在球形探针的作用下

无论是单层石墨烯还是多层石墨烯，石墨烯的平均摩 c)热效应；d)电子效应；e)键合；f)声子；g)环境/化学；

擦力随所选区域的变化均不明显. h)结构效应. 在本文摩擦试验中，摩擦能耗最有可能
图3显示了石墨烯的摩擦力是法向载荷的线性函 的机制是石墨烯表面的弹性变形和针尖的磨损. 为了

数. 从图3中可以看出：石墨烯在不同探针的作用下， 排除所选区域的表面状况和尖端的磨损对石墨烯摩
随着法向载荷的增加，其摩擦力有不同程度的增加. 擦力的影响，测量了石墨烯表面不同区域的粘附力.
图4(a)显示了石墨烯的厚度对其摩擦力的影响. 图5显示了所选区域石墨烯的粘附力，从图5中可以看
石墨烯的摩擦力随其厚度的增加而单调减少，而与探 出，石墨烯的粘附力随所选区域的变化不明显，这证
针尖端形状无关. 这种厚度依赖性，即摩擦力随着 实了所选区域的表面状况和尖端的磨损并不是石墨
SiO /Si基底上石墨烯层数的增加而减少也被Lee等 [17] 烯摩擦力变化的主要原因. 由此可以推断是石墨烯表
2
通过原子力显微镜观察到. Lee等认为这是由于石墨 面弹性变形的变化导致了其摩擦力的变化.

烯的刚度增加，导致变形减少所致，他还发现，当石墨 2.2 不同厚度石墨烯在不同区域的原子尺度黏滑行为
烯与云母表面紧密结合时，厚度依赖性被抑制. 图4(b) 原子力显微镜的针尖在弹性石墨烯表面的滑动
最终可由Prandtl-Tomlinson (PT)模型解释，该模型提
显示了石墨烯的粘附力与其厚度之间的关系. 从图4
中可以看出，石墨烯的厚度对其粘附力的影响不显 供了“黏滑”运动的经典描述 [27-28] . 从石墨烯与SiO /Si
2
著，而摩擦力却受其影响较明显，由此可以推断出石 基底的边界位置到石墨烯的中心区域，原子尺度的侧
向力随扫描距离的增加而出现不同程度的增加，当锥
墨烯的粘附力对其摩擦力的影响不显著.
形探针和球形探针在0.6和1.1 nm的石墨烯表面上滑
在微纳机电系统(MEMS/NEMS)中，摩擦能耗的
动时，石墨烯黏滑图上均能观察到均匀锯齿状波. 侧
一些可能机制如下：a)磨损；b)弹塑性表面变形效应；
向力作用下的每个黏滑运动的距离约为0.25 nm，相当
6 于石墨烯的晶格间距. 在初始阶段，黏滑运动的侧向
5 力峰值随滑移次数逐渐增大. 初始黏滑峰值增大的强
化效应可归因于初始接触过程中界面接触强度的演
4 变或褶皱效应. 一段时间以后，黏滑行为变得有规律，
Friction/nN 3 且黏滑运动的峰值力保持稳定 .
[29]
Spherical probe−1.1 nm graphene
2 Spherical probe−2.0 nm graphene 当探针从石墨烯与SiO /Si基底的边界位置作用
2
Conical probe−1.1 nm graphene
1 Conical probe−2.0 nm graphene 到石墨烯的中心区域时，研究了边界效应对原子尺度
摩擦强化效应的影响. 从图6中可以看出，对于单层石
0
−10 −5 0 5 10 15 20 25 墨烯，当锥形探针从石墨烯的边界位置作用到其中心
Normal load/nN
区域时，原子尺度摩擦的强化程度在逐渐地增强，而

Fig. 3 The relationship between friction of graphene and
normal load 在球形探针作用下的石墨烯摩擦强化程度不是很明
图 3 石墨烯的摩擦力与法向载荷的关系 显. 然而，从图7中可以看出，对于多层石墨烯，无论是