第 1 章 緒論

微納尺度下極高的比表面積會導致納米數(shù)據(jù)存儲設備、納米材料、以及微納機電系統(tǒng)運動部件的粘附、摩擦和磨損[14]，因此微納尺度下的接觸摩擦行為是納米科技發(fā)展的基礎性研究之一。而單峰接觸是研究摩擦的基本模型。近來的研究認為包括界面間化學鍵和范德華力等原子間相互作用在單峰接觸中扮演了重要角色，需要開展原子尺度的研究[15,16]。石墨烯高的化學穩(wěn)定性和原子級表面粗糙度使其非常適合用作摩擦研究的平臺[17]。AFM（FFM）探針在石墨烯表面的刻劃正是實現(xiàn)原子級單點摩擦的理想途徑。其次，石墨烯本身即是理想的表面涂覆固體潤滑劑[14]，其超潤滑性[18]已在納米[19]和微米[20]尺度下由實驗觀測到。在微納器件和微納系統(tǒng)中實現(xiàn)超潤滑是微納科技的重要課題之一[21,22]。正是由于石墨烯的低摩擦和高承載能力使其可能在微納機電系統(tǒng)的潤滑中有重要應用。因此石墨烯成為控制原子之間摩擦以實現(xiàn)超潤滑性的研究重點[23]。再次，由于石墨烯高比表面積導致的高活性使其具有獨特的摩擦和粘附特性，這對石墨烯器件的制造、裝配與壽命同樣有重要影響。實現(xiàn)其摩擦特性的可控調節(jié)將會是基于石墨烯的微納器件的重要里程碑[24]。因此研究石墨烯的界面摩擦特性和吸附作用對石墨烯表面清潔，，石墨烯器件設計制造與裝配以及保證器件可靠性及壽命，推動石墨烯產業(yè)的發(fā)展都有重要作用。以此為基礎還能進一步揭示微納尺度下的摩擦行為和其他二維材料的摩擦特性。

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第 2 章 應變對單晶石墨烯摩擦特性的影響分析

2.1 摩擦過程的分子動力學建模

當體系溫度高于目標溫度時，系統(tǒng)向外部熱浴傳遞能量使粒子速度降低，當體系溫度較設定目標溫度低時，外部熱浴向體系傳遞熱量，使粒子速度增大。由于 T是整個體系的平均溫度，當體系中有局部原子劇烈振蕩時將產生局部高溫，若該局域的粒子相對整個體系的粒子數(shù)較少則該局部高溫對整個體系溫度影響不大，因此這種局域原子的振蕩需要較長時間才能平衡。 Smolyanitsky[39]指出 AFM 針尖在懸置石墨烯表面的滑動過程中，位于針尖滑動方向前端的石墨烯碳原子被壓下，后側的碳原子不斷回彈。當針尖高速（10m/s）移動時接觸區(qū)原子即會劇烈振動而產生局部高溫。而分子動力學模擬時間尺度通常在皮秒到納秒量級，如此短的時間內局部高溫無法平衡。但實際摩擦過程中石墨烯會和周圍介質——如空氣、支撐材料等——有熱量交換，這一熱量交換的時間周期是秒級的，局部高溫會被耗散掉。本文首先采用 NVT/NPT 系綜獲得了多種載荷及應變率下的摩擦系數(shù)約為 10-4量級，遠小于實驗值。

2.2 模型有效性驗證

由于目前沒有文獻報道單層懸置石墨烯在應變條件下的摩擦特性，主要通過零應變狀態(tài)（初始應變?yōu)榱愕臓顟B(tài)）下相關研究結論來驗證模型的可靠性。Lee[14]用 AFM 針尖在受支撐單層石墨烯上滑動得到了摩擦力的周期性波動曲線，如圖2-3a）。圖 2-3b）是載荷為 15nN 時懸置石墨烯摩擦力的模擬結果[39]，其摩擦系數(shù)約為 0.009。圖 2-3c）是本文的模擬結果。Deng[53]通過半徑為 30nm 的金剛石針尖在單層懸置石墨烯上滑動研究了其摩擦特性。根據(jù)其研究結果可得在本文對應的載荷區(qū)間內摩擦系數(shù)約為 0.027～0.080，而我們的模擬結果摩擦系數(shù)為 0.045～0.067。通過以上對比可見本模型下摩擦力變化趨勢與實驗及理論模擬結果一致，摩擦系數(shù)和實驗及理論模擬結果位于同一數(shù)量級，因此模型有效。

第  3  章  多晶石墨烯的摩擦特性仿真分析 ...... 29 

3.1  多晶石墨烯的晶界結構及形貌表征......... 29 
3.2  多晶石墨烯的摩擦特性 ...... 32
3.3  應變對多晶石墨烯摩擦特性的影響 ........... 36 
3.4  本章小結 ......... 38 
第  4  章  多晶石墨烯的拉伸力學特性分析........... 39 
4.1  拉伸過程的分子動力學建模 .... 39
4.2  模型有效性驗證 .............. 41 
4.3  石墨烯晶界的能量特性 .............. 41 
4.4  石墨烯晶界的拉伸力學特性 ............ 46
4.5  多晶石墨烯的拉伸斷裂過程 .................... 51 
4.6  本章小結 ... 54 
第  5  章  石墨烯摩擦特性的實驗研究 .... 56 
5.1  樣品制備 ............. 56
5.2  石墨烯摩擦特性實驗 .................... 59 
5.3  本章小結 ........................ 61

第 5 章 石墨烯摩擦特性的實驗研究 

5.1 樣品制備

通過在高溫烘烤前增加丙酮浸泡的工藝流程可以去除主要的 PMMA，然后再通氫氣加熱可以顯著減小殘留提高石墨烯的表面潔凈度。圖 5-4 是改進工藝后的樣品 SEM 圖像及拉曼光譜分析。可見殘留物明顯減小且 D 峰已經很弱。為了確保樣品表面潔凈，繼續(xù)用 AFM 分析了樣品表面形貌如圖 5-4 所示，可見在仍然有明顯的殘留。測試了針尖在該型樣本表面的摩擦力，發(fā)現(xiàn)殘留對摩擦力有較大影響，已經喪失了石墨烯本身的摩擦特性，因此后面的實驗主要以機械剝離的單晶石墨烯為主。對于多晶石墨烯，高潔凈度的樣品的制備是實驗研究的難點之一。

5.2 石墨烯摩擦特性實驗

圖5-5a中矩形框為摩擦力測試點1，拉曼光譜分析顯示該區(qū)域為雙層石墨烯。由圖 5-5c)可以看出 SiO2（曲線 I）摩擦力明顯大于石墨烯表面（曲線 II、III），顯示出石墨烯有良好的潤滑特性。如圖 5-5c)曲線 II（懸置石墨烯）出現(xiàn)了較大的波動，這主要是由于針尖跨過微孔邊緣導致的，同時發(fā)現(xiàn)曲線 III（支撐石墨烯）和曲線 I 的摩擦力也出現(xiàn)了較大的波動。為此分析了樣品表面形貌如圖 5-5d）所示。據(jù)此可見曲線 I 的波動主要是由于石墨烯剝離過程中殘留在基底表面的膠導致的。石墨烯和基底的吸附力不足以支撐針尖在懸置區(qū)的法向作用而使石墨烯和基底間脫吸，且在橫向力的作用下使使石墨烯有往針尖運動方向滑移的趨勢，結果在微孔周圍形成褶皺。這一褶皺與 Huang[96]基于 MD 懸置石墨烯的壓痕實驗模擬結果吻合。褶皺的形成即引起了曲線 III 的波動。 為了盡可能和模擬模型中的單向約束一致，選擇了圖 5-1a）矩形虛線框內的窄帶石墨烯，其僅僅覆蓋微孔的中心區(qū)域。將掃描區(qū)域縮小到微孔中心 10nm×10nm可獲得更加穩(wěn)定密集的摩擦力信號，實驗結果如圖 5-6 所示。圖 5-6b)是圖 a）的局部放大圖線，顯然摩擦力具有明顯的周期性。由圖 5-6c)可得出摩擦力的周期長度約為 2.25Å，該值略小于理論的晶格常數(shù) 2.46Å 和本文的模擬結果 2.44Å。Lee[14]同樣用 AFM 獲得了帶基底的 4 層石墨烯的摩擦圖像，兩者非常類似。以上充分說明了本文理論模擬的正確性。

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結   論 

為了研究懸置石墨烯的界面摩擦特性以及晶界對拉伸力學特性的影響，本文基于布朗動力學和分子動力學，模擬了金剛石針尖在石墨烯表面的單點刻劃過程以及多種晶界的單軸拉伸。初步探索了懸置石墨烯摩擦特性的人工調控，分析了摩擦過程的粘附項和彈性變形項對摩擦力的影響機制。研究了晶界的能量特性以及強度的能量依賴性和裂紋擴展方向的強度依賴性。本文的主要結論如下：（1）應變條件下，金剛石針尖在懸置石墨烯表面的單點摩擦是粘附項和彈性變形項共同作用的結果，不同的載荷或預應變下，兩者對摩擦的貢獻比例不同。其中彈性變形引起的摩擦主要是接觸區(qū)的非對稱性導致的，而預應變可以增大石墨烯的面外變形剛度，從而減小接觸原子數(shù)和面外變形的非對稱性，并最終減小摩擦系數(shù)。據(jù)此給出了應變條件下石墨烯摩擦系數(shù)的理論估計值，并指出了彈性變形項中比例因子的物理意義。摩擦力的周期性波動是石墨烯晶格周期性勢場以及由此導致的接觸區(qū)的周期性波動共同導致的，適當?shù)膽儣l件可以減小摩擦力的波動幅值，提高摩擦過程的平穩(wěn)性。

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參考文獻（略）

本文編號：41309