單晶硅（Si）作為微機電系統(tǒng)（MEMS）的主要結(jié)構(gòu)材料,其較大的黏著和微觀摩擦力嚴(yán)重制約著MEMS的發(fā)展,對Si表面進行減黏、減摩和抗磨改性處理是解決這一問題的重要手段。本文在Si基底上設(shè)計的一種夾層氧化石墨烯/二元離子液體潤滑薄膜,是以N-氨乙基-3-氨丙基三甲氧基硅烷（DA）為基底連接層;以氧化石墨烯（GO）為中間加強層;以1-羧乙基-3-甲基咪唑氯鹽（[CMIM]Cl）和1-十二烷基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸鹽（[DMIM]PF₆）所組成的二元離子液體為剪切潤滑層。通過分子動力學(xué)模擬方法,對潤滑薄膜體系的結(jié)構(gòu)特性進行研究,確定了最佳覆蓋率、接枝位置和吸附比條件下的潤滑薄膜體系,且進一步討論了潤滑薄膜體系上表面的潤濕特性。結(jié)果表明:當(dāng)GO、上層DA、[CMIM]Cl的覆蓋率分別為50%,50%,100%,GO與上層DA的取代位置分別在最小單元格的線性位置和四個頂點位置;以及[CMIM]Cl與[DMIM]PF₆的分子數(shù)目比為1:1時,可得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的薄膜結(jié)構(gòu)。在潤濕性能分析中,通過表面徑向分布函數(shù)計算發(fā)現(xiàn):夾層氧化石墨烯/二元離子液體潤滑薄膜... 

【文章來源】：湘潭大學(xué)湖南省

【文章頁數(shù)】：69 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

微機電系統(tǒng)

湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文2圖1.2失效的MEMS器件的示例：（a）磨損失效；（b）粘附失效薄膜的體系和類別繁多，依照其制備方法和機理的不同，用于處理MEMS微/宏觀摩擦學(xué)問題的薄膜可分為如下三種類型：（1）有序分子膜：高取向固體有序膜（highorderedsolidfilm）、分子束外延生長膜、自組裝分子薄膜（Self-assembledmonolayers，SAMs）等；（2）液體潤滑劑薄膜：多烷基環(huán)戊烷薄膜（MACs）、全氟聚醚（PFPE）薄膜、離子液體薄膜等；（3）碳基硬質(zhì)薄膜：類金剛石薄膜（DLC）、石墨烯薄膜等[15]。對薄膜制備方法、運用領(lǐng)域和摩擦學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)，SAMs、石墨烯薄膜和離子液體薄膜的制備方法簡單、成本低，由它們復(fù)合而成的潤滑薄膜具有較好的摩擦學(xué)性能，因此該種潤滑薄膜在MEMS的薄膜體系中被廣泛運用和發(fā)展。自組裝分子薄膜具有高致密度、低表面能、良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和有序性等特征，可降低Si基底表面的黏著和微/宏觀摩擦系數(shù)，能用于改善MEMS器件表面的摩擦性能[16-17]。近幾年來，專家學(xué)者們已將各類單層SAMs成功應(yīng)用于MEMS中，然其承載性能和耐磨性能不佳，難以保持穩(wěn)定和持久的潤滑效果。與單層SAMs相比，同樣具有納米量級厚度的多層SAMs的結(jié)構(gòu)可調(diào)性增加，通過合理的分子設(shè)計，可極大的提高薄膜的潤滑性能。然而，目前制備的多層SAMs仍然存在承載性能較差和分子流動性不佳等自身缺陷，不能進一步降低器件表面的摩擦系數(shù)[18]。因此，通過引入高承載和良好減摩抗磨性能的材料，本文設(shè)計了一種新型的潤滑薄膜，其能夠在局部潤滑失效后仍能實現(xiàn)自潤滑機制[19]。石墨烯是一種新型二維平面納米材料，具有良好的導(dǎo)電性能、機械特性和力學(xué)性能，已在電子、材料、能源等領(lǐng)域備受關(guān)注[20-24]，如圖1.3（a）所示。近幾年來，研究者在微摩擦磨

湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文3具有較強的親水性，將會導(dǎo)致表面表現(xiàn)出較高的黏著現(xiàn)象，摩擦系數(shù)仍難以進一步降低。圖1.3結(jié)構(gòu)示意圖：（a）石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖；（b）氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖離子液體（IonicLiquids，ILs，如圖1.4所示），具有低揮發(fā)性、良好的熱/化學(xué)穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)熱性，作為改善MEMS器件表面性能的潤滑薄膜已得到廣泛的研究[29-31]。圖1.4離子液體的結(jié)構(gòu)示意圖目前，在Si基底上制備的ILs薄膜大都是單組分ILs薄膜。研究表明，該類單組分ILs薄膜存在耐磨性能差或承載性能不佳等局限。相比單組分的ILs薄膜，多組分ILs薄膜具有良好的分子流動性，因此能進一步改善器件表面的耐磨性能�；谝陨辖Y(jié)論，本文針對各薄膜材料的制備手段和摩擦學(xué)性能改進方法進行了深入的研究，設(shè)計出一種以Si為基底，具有低黏著、高承載、減摩和耐磨的夾層氧化石墨烯/二元離子液體潤滑薄膜體系，通過模擬與實驗相結(jié)合的方法，闡明了潤滑薄膜體系的結(jié)構(gòu)與潤滑薄膜特性之間的關(guān)聯(lián)；通過全面探究潤滑薄膜體系微/宏觀的摩擦學(xué)性能的方式，揭示改性后Si基底表面的減黏、減摩抗磨機理，以實現(xiàn)MEMS器件接觸界面間的有效自潤滑和耐磨防護。

【參考文獻】：
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