Apakah graphene memiliki gesekan





Gesekan bergantung pada kecepatan yang tidak terduga dalam graphene

Ringkasan

Dalam penelitian ini, perilaku gesekan tepi langkah graphene tebal mono-lapis diselidiki menggunakan mikroskop gaya atom (AFM). Ditemukan bahwa ketika ujung meluncur di atas tepi langkah graphene terkubur, ada gaya resistif selama gerakan step-up dan gaya bantu selama gerakan step-down. Kekuatan -kekuatan ini dikaitkan dengan perubahan tinggi topografi. Gesekan pada tepi langkah graphene yang terbuka meningkat besarnya dan menunjukkan perilaku yang lebih kompleks. Interaksi kimia antara kelompok fungsional di permukaan ujung dan tepi langkah berkontribusi pada gaya resistif, sedangkan gaya bantu adalah hasil dari efek topografi. Pengukuran perilaku gesekan resolusi tinggi di tepi langkah graphene meningkatkan pemahaman kita tentang gesekan antarmuka pada permukaan yang tertutup graphene.

Poin -poin penting

1. Gesekan pada ujung langkah graphene yang terkubur menunjukkan kekuatan resistif dan bantu selama gerakan step-up dan step-down.

2. Paparan tepi langkah graphene meningkatkan besarnya gesekan dan menyebabkan perilaku gesekan yang lebih kompleks.

3. Interaksi kimia antara permukaan ujung dan tepi langkah berkontribusi pada gaya resistif pada tepi langkah yang terpapar.

4. Kekuatan bantu di tepi langkah terbuka dikaitkan dengan efek topografi.

5. Tip tumpul meningkatkan efek berbeda dari kekuatan resistif dan bantu di tepi langkah graphene.

6. Dalam arah pemindaian step-up, ujung tumpul menunjukkan efek topografi dan miring.

7. Pengukuran resolusi tinggi dari perilaku gesekan di tepi langkah graphene memperkaya pemahaman kita tentang gesekan antarmuka pada permukaan yang tertutup graphene.

Pertanyaan dan jawaban

  1. Q: Apa perilaku gesekan yang diamati di tepi langkah graphene terkubur?

    A: Di tepi langkah graphene terkubur, kekuatan resistif dan bantu terdeteksi selama gerakan step-up dan step-down, masing-masing. Kekuatan -kekuatan ini dihasilkan dari perubahan tinggi topografi.
  2. Q: Apa yang terjadi pada gesekan di tepi langkah graphene terbuka?

    A: Gesekan pada tepi langkah graphene yang terpapar meningkat dalam besarnya dan menunjukkan perilaku yang lebih kompleks dibandingkan dengan tepi langkah terkubur.
  3. Q: Apa yang menyebabkan komponen resistif pada tepi langkah terbuka?

    A: Komponen resistif pada tepi langkah yang terpapar dikaitkan dengan interaksi kimia antara kelompok fungsional pada permukaan ujung dan langkah langkah.
  4. Q: Apa alasan komponen bantu di tepi langkah terbuka?

    A: Komponen bantu di tepi langkah terbuka adalah karena efek topografi, mirip dengan kasus tepi langkah terkubur.
  5. Q: Bagaimana ujung tumpul mempengaruhi perilaku gesekan di tepi langkah graphene?

    A: Tip tumpul meningkatkan efek berbeda dari kekuatan resistif dan bantu di tepi langkah graphene.
  6. Q: Apa efek topografi yang berbeda yang ditunjukkan oleh ujung tumpul dalam arah pemindaian step-up?

    A: Dalam arah pemindaian step-up, ujung tumpul menunjukkan dua efek topografi yang terpisah: deformasi elastis dari daerah kontak di bagian bawah ujung karena perubahan ketinggian substrat, dan memiringkan ujung karena posisi vertikal kantilever naik dari teras bawah ke teras atas teras atas.
  7. Q: Bagaimana pengukuran perilaku gesekan resolusi tinggi di tepi langkah graphene berkontribusi untuk memahami gesekan antarmuka?

    A: Pengukuran perilaku gesekan resolusi tinggi di tepi langkah graphene memberikan wawasan yang berharga tentang gesekan antarmuka pada permukaan yang tertutup graphene.

Referensi

  1. Berman D, Erdemir A, Sumant A V. Graphene: pelumas baru yang muncul. Mater Today 17 (1): 31–42 (2014) Google Cendekia
  2. Penkov O, Kim H J, Kim H J, Kim D E. Tribologi Graphene: Sebuah Ulasan. Int J Precis Eng Manuf 15 (3): 577–585 (2014) Google Cendekia
  3. Kim K S, Lee H J, Lee C, Lee S K, Jang H, Ahn J H, Kim J H, Lee H J. Deposisi uap kimia graphene tumbuh: pelumas padat tertipis. ACS Nano 5 (6): 5107–5114 (2011) Google Cendekia
  4. Berman D, Erdemir A, Sumant A V. Mengurangi keausan dan gesekan yang diaktifkan oleh lapisan graphene pada permukaan baja geser dalam nitrogen kering. Karbon 59: 167–175 (2013) Google Cendekia
  5. Berman D, Erdemir A, Sumant A V. Graphene sebagai pelapis pelindung dan pelumas superior untuk kontak listrik. Appl Phys Lett 105 (23): 231907 (2014) Google Cendekia
  6. Wu P, Li X M, Zhang C H, Chen X C, Lin S Y, Sun H Y, Lin C T, Zhu H W, Luo J B. Film graphene yang dirakit sendiri sebagai pelumas solid gesekan rendah dalam kontak makro. ACS Appl Mater Interfaces 9 (25): 21554–21562 (2017) Google Cendekia
  7. Berman D, Deshmukh S A, Sankaranarayanan S K R S, Erdemir A, Sumant A V. Superlubrikitas makroskal yang diaktifkan oleh Formasi Nanoscroll Graphene. Sains 348 (6239): 1118–1122 (2015) Google Cendekia
  8. Liu S W, Wang H P, Xu Q, Ma T B, Yu G, Zhang C H, Geng D C, Yu Z W, Zhang S G, Wang W Z, dkk. Superlubrikitas mikro yang kuat di bawah tekanan kontak tinggi yang diaktifkan oleh microsphere yang dilapisi graphene. NAT COMMUN 8: 14029 (2017) Google Cendekia
  9. Filleter T, McChesney J L, Bostwick A, Rotenberg E, Emtsev K V, Seyller T, Horn K, Bennewitz R. Gesekan dan disipasi dalam film graphene epitaxial. Phys Rev Lett 102 (8): 086102 (2009) Google Cendekia
  10. Filleter T, Bennewitz R. Sifat struktural dan gesekan film graphene pada sic (0001) yang dipelajari dengan mikroskop gaya atom. Phys Rev B 81 (15): 155412 (2010) Google Cendekia
  11. Lee C, Li Q Y, Kalb W, Liu X Z, Berger H, Carpick R W, Hone J. Karakteristik gesekan lembaran tipis secara atom. Sains 328 (5974): 76–80 (2010) Google Cendekia
  12. Lee H, Lee N, Seo Y, Eom J, Lee S. Perbandingan kekuatan gesekan pada graphene dan grafit. Nanoteknologi 20 (32): 325701 (2009) Google Cendekia
  13. Lee C, Wei X D, Li Q Y, Carpick R, Kysar J W, Hone J. Sifat elastis dan gesekan graphene. Status Phys Solidi B 246 (11–12): 2562–2567 (2009) Google Cendekia
  14. Li Q Y, Lee C, Carpick R W, Hone J. Efek substrat pada gesekan yang bergantung pada ketebalan pada graphene. Status Physi Solidi B 247 (112–12): 2909–2914 (2010) Google Cendekia
  15. Cho D H, Wang L, Kim J S, Lee G H, Kim E S, Lee S, Lee S Y, Hone J, Lee C. Efek morfologi permukaan pada gesekan graphene pada berbagai substrat. Nanoscale 5 (7): 3063–3069 (2013) Google Cendekia
  16. Paolicelli G, Tripathi M, Corradini V, Candini A, Valeri S. Perilaku gesekan nanoskal dari graphene di sio2 dan Ni (111) Substrat. Nanoteknologi 26 (5): 055703 (2015) Google Cendekia
  17. Chen Z, Khajeh A, Martini A, Kim S H. Asal mula gesekan kimia dan fisik pada permukaan dengan langkah atom. SCI Adv 5 (8): EAAW0513 (2019) Google Cendekia


Gesekan bergantung pada kecepatan yang tidak terduga dalam graphene

Zhe Chen. Dr. Chen mendapatkan b -nya.S. Gelar di bidang Teknik Mesin dari Universitas Politeknik Northwestern dan PH.D. Gelar di bidang Teknik Mesin dari Universitas Tsinghua di Cina. Dia sekarang menjadi peneliti postdoctoral. Minat penelitiannya adalah sifat geser antarmuka dan aplikasi bahan berlapis dua dimensi sebagai pelumas padat dan aditif pelumas.

Mengukur gesekan skala nano di tepi langkah graphene

Meskipun graphene terkenal dengan super-pelumasan di bidang basal, gesekan pada tepi langkahnya tidak dipahami dengan baik dan perilaku gesekan yang bertentangan telah dilaporkan telah dilaporkan. Dalam penelitian ini, gesekan tepi langkah graphene tebal mono dipelajari menggunakan mikroskop gaya atom (AFM) dengan ujung Si di atmosfer nitrogen kering. Ditemukan bahwa, ketika ujung meluncur di atas a ‘terkubur’ Tepi langkah graphene, ada gaya resistif selama gerakan step-up dan gaya bantu selama gerakan step-down karena perubahan ketinggian topografi. Besarnya kedua kekuatan ini kecil dan sama dalam gerakan step-up dan step-down. Adapun ‘terbuka’ Tepi langkah graphene, gesekan meningkat besarnya dan menunjukkan perilaku yang lebih rumit. Selama gerakan step-down ujung di atas tepi langkah yang terbuka, komponen resistif dan bantu dapat dideteksi dalam sinyal gaya lateral AFM jika resolusi pemindaian cukup tinggi. Komponen resistif disebabkan oleh interaksi kimia antara kelompok fungsional pada permukaan ujung dan langkah-tepi, dan komponen bantu disebabkan oleh efek topografi, sama seperti kasus tepi langkah yang terkubur yang terkubur. Jika ujung tumpul digunakan, efek berbeda dari kedua komponen ini menjadi lebih menonjol. In the step-up scan direction, the blunt tip appears to have two separate topographic effects elastic deformation of the contact region at the bottom of the tip due to the substrate height change at the step edge and tilting of the tip while the vertical position of the cantilever (the end of the tip) ascends from the lower terrace to the upper terrace. Pengukuran perilaku gesekan resolusi tinggi di tepi langkah graphene akan semakin memperkaya pemahaman tentang perilaku gesekan antarmuka pada permukaan yang tertutup graphene.

Unduh untuk membaca teks artikel lengkapnya

Mengerjakan naskah?

Referensi

  1. Berman D, Erdemir A, Sumant A V. Graphene: pelumas baru yang muncul. Mater hari ini17(1): 31–42 (2014) Google Cendekia
  2. Penkov O, Kim H J, Kim H J, Kim D E. Tribologi Graphene: Sebuah Ulasan. Int j precis eng manuf15(3): 577–585 (2014) Google Cendekia
  3. Kim K S, Lee H J, Lee C, Lee S K, Jang H, Ahn J H, Kim J H, Lee H J. Deposisi uap kimia graphene tumbuh: pelumas padat tertipis. ACS Nano5(6): 5107–5114 (2011) Google Cendekia
  4. Berman D, Erdemir A, Sumant A V. Mengurangi keausan dan gesekan yang diaktifkan oleh lapisan graphene pada permukaan baja geser dalam nitrogen kering. Karbon59: 167–175 (2013) Google Cendekia
  5. Berman D, Erdemir A, Sumant A V. Graphene sebagai pelapis pelindung dan pelumas superior untuk kontak listrik. Appl Phys Lett105(23): 231907 (2014) Google Cendekia
  6. Wu P, Li X M, Zhang C H, Chen X C, Lin S Y, Sun H Y, Lin C T, Zhu H W, Luo J B. Film graphene yang dirakit sendiri sebagai pelumas solid gesekan rendah dalam kontak makro. Antarmuka ACS Appl Mater9(25): 21554–21562 (2017) Google Cendekia
  7. Berman D, Deshmukh S A, Sankaranarayanan S K R S, Erdemir A, Sumant A V. Superlubrikitas makroskal yang diaktifkan oleh Formasi Nanoscroll Graphene. Sains348(6239): 1118–1122 (2015) Google Cendekia
  8. Liu S W, Wang H P, Xu Q, Ma T B, Yu G, Zhang C H, Geng D C, Yu Z W, Zhang S G, Wang W Z, dkk. Superlubrikitas mikro yang kuat di bawah tekanan kontak tinggi yang diaktifkan oleh microsphere yang dilapisi graphene. NAT COMMUN8: 14029 (2017) Google Cendekia
  9. Filleter T, McChesney J L, Bostwick A, Rotenberg E, Emtsev K V, Seyller T, Horn K, Bennewitz R. Gesekan dan disipasi dalam film graphene epitaxial. Phys Rev Lett102(8): 086102 (2009) Google Cendekia
  10. Filleter T, Bennewitz R. Sifat struktural dan gesekan film graphene pada sic (0001) yang dipelajari dengan mikroskop gaya atom. Phys Rev b81(15): 155412 (2010) Google Cendekia
  11. Lee C, Li Q Y, Kalb W, Liu X Z, Berger H, Carpick R W, Hone J. Karakteristik gesekan lembaran tipis secara atom. Sains328(5974): 76–80 (2010) Google Cendekia
  12. Lee H, Lee N, Seo Y, Eom J, Lee S. Perbandingan kekuatan gesekan pada graphene dan grafit. Nanoteknologi20(32): 325701 (2009) Google Cendekia
  13. Lee C, Wei X D, Li Q Y, Carpick R, Kysar J W, Hone J. Sifat elastis dan gesekan graphene. Status fisik solidi b246(11–12): 2562–2567 (2009) Google Cendekia
  14. Li Q Y, Lee C, Carpick R W, Hone J. Efek substrat pada gesekan yang bergantung pada ketebalan pada graphene. Status physi solidi b247 (112–12): 2909–2914 (2010) Google Cendekia
  15. Cho D H, Wang L, Kim J S, Lee G H, Kim E S, Lee S, Lee S Y, Hone J, Lee C. Efek morfologi permukaan pada gesekan graphene pada berbagai substrat. Nano5(7): 3063–3069 (2013) Google Cendekia
  16. Paolicelli G, Tripathi M, Corradini V, Candini A, Valeri S. Perilaku gesekan nanoskal dari graphene di sio2 dan Ni (111) Substrat. Nanoteknologi26(5): 055703 (2015) Google Cendekia
  17. Chen Z, Khajeh A, Martini A, Kim S H. Asal mula gesekan kimia dan fisik pada permukaan dengan langkah atom. Sci Adv5(8): EAAW0513 (2019) Google Cendekia
  18. Chen L, Chen Z, Tang X Y, Yan W M, Zhou Z R, Qian L M, Kim S H. Gesekan pada tepi graphene satu lapis karena interaksi kimia dan topografi. Karbon154: 67–73 (2019) Google Cendekia
  19. Lang H J, Peng Y T, Zeng X Z, Cao X A, Liu L, Zou K. Efek kelembaban relatif pada sifat gesekan graphene pada langkah skala atom. Karbon137: 519–526 (2018) Google Cendekia
  20. Lang H J, Peng Y T, Zeng X Z. Efek kekuatan ikatan interlayer dan kekakuan lentur pada sifat gesekan bahan 2 dimensi pada langkah-langkah skala atom. Appl Surf Sci411: 261–270 (2017) Google Cendekia
  21. Ye Z J, Martini A. Gesekan atom pada ujung langkah grafit terbuka dan terkubur: eksperimen dan simulasi. Appl Phys Lett106(23): 231603 (2015) Google Cendekia
  22. Lee H, Lee H B R, Kwon S, Salmeron M, Park J Y. Langkah -langkah atom internal dan eksternal dalam grafit menunjukkan sifat fisik dan kimia yang secara dramatis berbeda. ACS Nano9(4): 3814–3819 (2015) Google Cendekia
  23. Hunley D P, Flynn T J, Dodson T, Sundararajan A, Boland M J, Strachan D R. Gesekan, adhesi, dan elastisitas tepi graphene. Phys Rev b87(3): 035417 (2013) Google Cendekia
  24. Egberts P, Ye Z J, Liu X Z, Dong Y L, Martini A, Carpick R W. Ketergantungan lingkungan dari gesekan skala atom pada langkah permukaan grafit. Phys Rev b88(3): 035409 (2013) Google Cendekia
  25. Dong Y L, Liu X Z, Egberts P, Ye Z J, Carpick R W, Martini A. Korelasi antara bentuk probe dan puncak gesekan atom di tepi langkah grafit. Tribol Lett50(1): 49–57 (2013) Google Cendekia
  26. Panigrahi S, Bhattacharya A, Bandyopadhyay D, Grabowski S J, Bhattacharyya D, Banerjee S. Membasahi properti dari tepi langkah monoatomik pada grafit: mikroskop kekuatan gesekan dan ab initio Studi Kimia Kuantum. J Phys Chem C115(30): 14819–14826 (2011) Google Cendekia
  27. Hölscher H, Ebeling D, Schwarz U D. Gesekan pada langkah permukaan skala atom: Eksperimen dan teori. Phys Rev Lett101(24): 246105 (2008) Google Cendekia
  28. Müller T, Lohrmann M, Kässer T, Marti O, Mlynek J, Krausch G. Kekuatan gesekan antara asperitas yang tajam dan langkah permukaan. Phys Rev Lett79(25): 5066–5069 (1997) Google Cendekia
  29. Weilandt E, Menck A, Marti O. Studi gesekan pada langkah -langkah dengan mikroskop gaya gesekan. Anal Antarmuka Surf23(6): 428–430 (1995) Google Cendekia
  30. Ruan J A, Bhushan B. Perilaku gesekan dari grafit pirolitik yang sangat berorientasi. J Appl Phys76(12): 8117–8120 (1994) Google Cendekia
  31. Schwoebel R L, Shipsey E J. Langkah gerakan pada permukaan kristal. J Appl Phys37(10): 3682–3686 (1966) Google Cendekia
  32. Ye Z J, Otero-de-la-Roza A, Johnson E R, Martini A. Efek bentuk ujung pada gesekan atom di tepi langkah grafit. Appl Phys Lett103(8): 081601 (2013) Google Cendekia
  33. Barthel A J, Luo J W, Hwang K S, Lee J Y, Kim S H. Efek pelumasan batas residu organik kiri pada permukaan setelah penguapan pelarut pembersih organik. Memakai 350 351: 21–26 (2016) Google Cendekia
  34. Sader J E, Larson I, Mulvaney P, White L R. Metode untuk kalibrasi cantilevers mikroskop gaya atom. Rev Sci Instrum66(7): 3789–3798 (1995) Google Cendekia
  35. Barnette A L, Asay D B, Janik M J, Kim S H. Isoterm adsorpsi dan orientasi alkohol pada sio hidrofilik2 dalam kondisi ambien. J Phys Chem C113(24): 10632–10641 (2009) Google Cendekia
  36. Yu J X, Kim S H, Yu B J, Qian L M, Zhou Z R. Peran kesukuan dalam kawat nano silikon kristal tunggal. Antarmuka ACS Appl Mater4(3): 1585–1593 (2012) Google Cendekia
  37. Qi y z, Liu J, Dong Y L, Feng X Q, Li Q Y. Dampak lingkungan pada perilaku keausan skala nano Graphene: tepi pasif vs. Pinning Substrat. Karbon139: 59–66 (2018) Google Cendekia
  38. Ogletree D F, Carpick R W, Salmeron M. Kalibrasi gaya gesekan dalam mikroskop gaya atom. Rev Sci Instrum67(9): 3298–3306 (1996) Google Cendekia
  39. Varenberg M, Etsion I, Halperin G. Metode kalibrasi baji yang lebih baik untuk gaya lateral dalam mikroskop gaya atom. Rev Sci Instrum74(7): 3362–3367 (2003) Google Cendekia
  40. Noy A, Frisbie C D, Rozsnyai L F, Wrighton M S, Lieber C M. Mikroskop Gaya Kimia: Mengeksploitasi Tip yang Dimodifikasi Secara Kimia untuk Mengukur Adhesi, Gesekan, dan Distribusi Kelompok Fungsional dalam Rakitan Molekuler. J am chem soc117(30): 7943–7951 (1995) Google Cendekia
  41. Dufrêne Y F, Ando T, Garcia R, Alsteens D, Martinez-Martin D, Engel A, Gerber C, Müller D J. Mode pencitraan mikroskop gaya atom untuk aplikasi dalam biologi molekuler dan sel. Nat Nanotechnol12(4): 295–307 (2017) Google Cendekia
  42. Levita G, Restuccia P, Righi M C. Graphene dan Mos2 berinteraksi dengan air: perbandingan oleh ab initio perhitungan. Karbon107: 878–884 (2016) Google Cendekia
  43. Mo Y, Turner K T, Szlufarska I. Undang -undang gesekan di skala nano. Alam457: 1116–1119 (2009) Google Cendekia
  44. Chen Z, Vazirisereshk M R, Khajeh A, Martini A, Kim S H. Efek Gelombang Atom pada Adhesi dan Gesekan: Studi Model dengan Tepi Langkah Graphene. J Phys Chem Lett10(21): 6455–6461 (2019) Google Cendekia

Ucapan Terima Kasih

Pekerjaan ini didukung oleh National Science Foundation (hibah no. CMMI-1727571).

Informasi penulis

Penulis dan Afiliasi

  1. Departemen Teknik dan Bahan Kimia Lembaga Penelitian Bahan, Universitas Negeri Pennsylvania, University Park, PA, 16802, AS Zhe Chen & Seong H. Kim
  1. Zhe Chen

Anda juga dapat mencari penulis ini di PubMed Google Cendekia

Anda juga dapat mencari penulis ini di PubMed Google Cendekia

Penulis yang sesuai

Informasi tambahan

Zhe Chen. Dr. Chen mendapatkan b -nya.S. Gelar di bidang Teknik Mesin dari Universitas Politeknik Northwestern dan PH.D. Gelar di bidang Teknik Mesin dari Universitas Tsinghua di Cina. Dia sekarang menjadi peneliti postdoctoral. Minat penelitiannya adalah sifat geser antarmuka dan aplikasi bahan berlapis dua dimensi sebagai pelumas padat dan aditif pelumas.

Seong h. Kim. Prof. Kim bergabung dengan Fakultas Teknik Kimia pada tahun 2001 setelah menyelesaikan pH.D. Studi di bidang Kimia dari Universitas Northwestern dan penelitian postdoctoral di University of California, Berkeley, AS. Dia mendapatkan b -nya.S. dan m.S. gelar dalam kimia dari Universitas Yonsei, Korea. Tema utama penelitiannya terletak pada ilmu pengetahuan permukaan dan rekayasa nano, terutama menerapkan dasar-dasar sains permukaan untuk masalah antarmuka penting yang terlibat dalam kesukuan dan pelumasan, pembuatan nanoman, dan rekayasa permukaan.

Hak dan izin

Akses terbuka: Artikel ini dilisensikan di bawah Atribusi Creative Commons 4.0 Lisensi Internasional, yang memungkinkan penggunaan, berbagi, adaptasi, distribusi, dan reproduksi dalam media atau format apa pun, selama Anda memberikan kredit yang sesuai kepada penulis asli dan sumbernya, memberikan tautan ke lisensi Creative Commons, dan menunjukkan jika perubahan telah dilakukan telah dilakukan.

Gambar atau materi pihak ketiga lainnya dalam artikel ini termasuk dalam artikel’S Lisensi Creative Commons, kecuali diindikasikan sebaliknya dalam jalur kredit ke materi. Jika materi tidak termasuk dalam artikel’S Creative Commons Lisensi dan penggunaan yang Anda maksudkan tidak diizinkan oleh peraturan hukum atau melebihi penggunaan yang diizinkan, Anda perlu mendapatkan izin langsung dari pemegang hak cipta.

Tentang artikel ini

Mengutip artikel ini

Chen, z., Kim, s.H. Mengukur gesekan skala nano di tepi langkah graphene. Gesekan 8, 802–811 (2020). https: // doi.org/10.1007/S40544-019-0334-y

  • Diterima: 02 Mei 2019
  • Direvisi: 20 Agustus 2019
  • Diterima: 09 Oktober 2019
  • Diterbitkan: 10 Desember 2019
  • Tanggal Masalah: Agustus 2020
  • Doi: https: // doi.org/10.1007/S40544-019-0334-y

Bagikan artikel ini

Siapa pun yang Anda bagikan tautan berikut akan dapat membaca konten ini:

Dapatkan tautan yang dapat dibagikan

Maaf, tautan yang dapat dibagikan saat ini tidak tersedia untuk artikel ini.

Menyalin ke clipboard

Disediakan oleh inisiatif pembagian konten springer nature sharedit

Kata kunci

  • gesekan
  • graphene
  • Tepi Langkah
  • mikroskop gaya atom
  • Tip Bluntness

Gesekan bergantung pada kecepatan yang tidak terduga dalam graphene

Gesekan bergantung pada kecepatan yang tidak terduga dalam graphene

Karena sifat gesekan rendahnya, bahan yang terdiri dari lapisan atom tunggal sangat menarik bagi aplikasi di mana tujuannya adalah untuk mengurangi gesekan-seperti hard disk atau komponen bergerak untuk satelit atau teleskop ruang angkasa.

Salah satu contohnya adalah graphene, yang terdiri dari satu lapisan atom karbon dalam pengaturan sarang lebah dan sedang diperiksa dengan maksud untuk penggunaan potensial sebagai lapisan pelumas. Memang, penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa pita graphene dapat dipindahkan melintasi permukaan emas dengan hampir tanpa gesekan.

Hasil yang mengejutkan dengan permukaan yang kasar

Jika graphene diterapkan pada permukaan platinum, ia memiliki dampak yang signifikan pada gaya gesekan yang dapat diukur. Sekarang, fisikawan dari University of Basel dan Tel Aviv University telah melaporkan dalam jurnalSurat NanoItu, dalam hal ini, gesekan tergantung pada kecepatan di mana ujung mikroskop gaya atom dipindahkan melintasi permukaan.

Temuan ini mengejutkan karena gesekan tidak tergantung pada kecepatan menurut hukum Coulomb, yang berlaku di dunia makro.

Sehubungan dengan substrat platinum, graphene tidak lagi membentuk hanya pola honeycomb heksagonal atom karbon dan sebaliknya membentuk superstruktur yang dikenal sebagai moiré superlattices. Permukaan kemudian tidak lagi benar -benar datar dan menunjukkan tingkat kekasaran tertentu.

“Jika kita memindahkan ujung AFM melintasi permukaan yang sedikit bergelombang ini dengan kecepatan rendah, kita mengukur kekuatan gesekan yang lemah dan hampir konstan,” jelas Profesor Ernst Meyer dari Institut Nanoscience Swiss dan Departemen Fisika di Basel University.

“Namun, di atas ambang batas tertentu, gesekan kemudian meningkat dengan kecepatan ujung AFM,” tambah penulis pertama DR. Lagu Yiming. “Semakin besar superstruktur moiré, semakin rendah ambang batas di mana gesekan menjadi bergantung pada kecepatan.”

Para peneliti menemukan bahwa ada resistensi yang lebih besar di punggungan superstruktur Moiré selama pergerakan ujung. Punggungan ini mengalami deformasi elastis karena ujung mendorong sebelum bersantai lagi saat tekanannya cukup tinggi. Efek ini menghasilkan kekuatan gesekan yang lebih besar yang meningkat dengan kecepatan ujung. Simulasi dan model analitik mengkonfirmasi temuan eksperimental yang diperoleh oleh tim peneliti internasional ini.

Informasi lebih lanjut: Yiming Song et al, ketergantungan kecepatan gesekan moiré, Surat Nano (2022). Doi: 10.1021/ACS.Nanolett.2C03667

Informasi Jurnal: Surat Nano

Disediakan oleh Swiss Nanoscience Institute, University of Basel

Kutipan: Gesekan yang tidak terduga bergantung pada graphene (2022, 7 Desember) diambil 18 Mei 2023 dari https: // phys.ORG/NEWS/2022-12-UNCECTED-PEKERJAAN-DEPENDEN-FRICTION-GRAPHENE.html

Dokumen ini tunduk pada hak cipta. Terlepas dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang dapat direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.

Efek molekuler lingkungan pada perilaku gesekan macroscale graphene

Panpan Li 1,2,3 , www.frontiersin.orgBo Wang 3 , www.frontiersin.orgLi Ji 1,2 *, Hongxuan Li 1,2 *, www.frontiersin.orgLei Chen 1,2 , www.frontiersin.orgXiaohong Liu 1,2 , www.frontiersin.orgHuidi zhou 1,2 dan www.frontiersin.orgJianmin Chen 1,2

  • 1 Laboratorium Utama Sains dan Teknologi tentang Keausan dan Perlindungan Bahan, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Akademi Ilmu Pengetahuan Cina, Lanzhou, Cina
  • 2 Pusat Ilmu Bahan dan Teknik Optoelektronika, Universitas Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Beijing, Cina
  • 3 Laboratorium Kunci Negara Bagian Pelumasan Padat, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Akademi Ilmu Pengetahuan Cina, Lanzhou, Cina

Studi ini menyelidiki perilaku gesekan graphene di lingkungan atmosfer udara dan nitrogen. Evolusi mikrostruktur yang disebabkan oleh variasi lingkungan atmosfer dan pengaruhnya terhadap koefisien gesekan graphene dieksplorasi. Ditunjukkan bahwa graphene dapat menunjukkan sifat pelumas yang sangat baik baik di lingkungan atmosfer udara dan nitrogen. Di udara, struktur slip lapisan demi lapis yang sangat dipesan dapat dibentuk pada antarmuka geser. Oksigen dan h2O Molekul dapat membuat ikatan menggantung tepi dan cacat pasif. Dengan demikian interaksi antara nanosheets dan lapisan nanosheets lemah dan koefisien gesekan rendah (0.06–0.07). Sedangkan koefisien gesekan meningkat menjadi 0.14–0.15 Dalam atmosfer nitrogen karena interaksi cacat yang dihasilkan dalam proses geser, molekul nitrogen dengan elektron pasangan tunggal hanya dapat membuat nanosheets pasif ke tingkat tertentu, sehingga struktur slip yang dipesan dihancurkan dan gesekan lebih tinggi. Pekerjaan ini mengungkapkan pengaruh molekul lingkungan pada kinerja tribologis graphene dan pengaruhnya terhadap struktur mikro pada antarmuka geser, yang dapat menjelaskan kinerja pelumas graphene di atmosfer lingkungan dan membantu kita untuk memahami perilaku tribologis grafit di Macroscale.

Perkenalan

Mengurangi gesekan dan kerugian keausan memiliki nilai besar untuk komponen bergerak kondisi geser (Holmberg dan Erdemir, 2017). Sebagai bahan berlapis khas, grafit digunakan secara luas sebagai pelumas padat karena interaksi yang lemah dari gaya van der Waals antara lapisan (GEIM dan Novoselov, 2007). Diindikasikan bahwa perilaku tribologis grafit mudah dipengaruhi oleh lingkungan atmosfer, dan menunjukkan gesekan rendah di atmosfer udara dan gesekan tinggi dalam vakum atau atmosfer lembam (Savage, 1948; Savage dan Schaefer, 1956). Selama beberapa dekade terakhir, sebagian besar penelitian dan aplikasi praktis telah berkaitan dengan kinerja tribologis grafit (Lancaster dan Pritchard, 1981) dan beberapa penelitian telah berfokus pada mikrostruktur intrinsik yang menentukan sifat tribologis grafit grafit. Di satu sisi, perubahan struktural grafit tiga dimensi (3D) sulit untuk diamati. Di sisi lain, sistem aplikasi praktis biasanya rumit. Oleh karena itu, eksplorasi efek lingkungan atmosfer pada struktur intrinsik dari asal usul kinerja tribologis makrosinya sulit dan membutuhkan penyelidikan lebih lanjut. Sementara itu, beberapa mekanisme pelumas grafit telah diusulkan untuk menjelaskan kinerja grafit dalam berbagai kondisi (Bollmann dan Spreadborough, 1960; Bryant et al., 1964) Tetapi masih ada perselisihan tentang sifat yang tepat dari mekanisme ini.

Studi tribologis mikro dari bahan pelumas, terutama studi struktur dapat memandu pemahaman tentang asal usul sifat tribologis dan mekanisme pelumasan makrosinya (Zheng dan Liu, 2014; Zhang et al., 2019). Sebagai unit dasar grafit, graphene memiliki struktur nanosheet tipis dua dimensi (2D) khas yang memberikan graphene dengan sifat-sifat yang sangat baik termasuk sifat fisik, elektronik, dan kimia yang menarik (Zhu et al., 2010; Avouris dan Dimitrakopoulos, 2012; Badhulika et al., 2015). Graphene menunjukkan sifat tribologis yang luar biasa (Berman et al., 2014; Berman et al., 2015) dan telah menarik perhatian yang cukup besar di bidang tribologi. Penelitian tribologis makroskal graphene dimulai dalam beberapa tahun terakhir dan meningkat secara bertahap. Pelapisan graphene yang dijatuhkan pada substrat baja memiliki kemampuan untuk mengurangi gesekan dan keausan di udara dan mengeringkan atmosfer nitrogen (Berman et al., 2013a; Berman et al., 2013b), tetapi koefisien gesekan yang lebih rendah masih diperlukan. Mirip dengan bahan karbon, kelembaban, atau atmosfer lainnya juga memiliki pengaruh yang jelas pada kinerja gesekan graphene (Erdemir, 2001; Yen et al., 2004; Bhowmick et al., 2014). Sebagai pelumas padat yang baru muncul, struktur paper tipis graphene memiliki banyak permukaan yang terpapar yang dapat memberikan kenyamanan untuk karakterisasi struktur mikro grafit, yang dapat diakses untuk eksplorasi struktur intrinsik antarmuka kontak geser graphene (Maciel et al., 2020). Koefisien gesekan macroscale graphene juga tergantung pada mikrostrukturnya, sehingga dapat dianggap bahwa graphene dengan nanosheets utuh dapat menunjukkan kinerja pelumasan yang sangat baik. Secara khusus, struktur slip yang sangat dipesan di antarmuka geser memungkinkan graphene mendapatkan gesekan superlow makroskal (Song et al., 2017), dan mikrostruktur tergelincir berlapis ideal adalah prasyarat untuk graphene untuk menunjukkan perilaku tribologis makro yang luar biasa (Li et al., 2020; Gao et al., 2020). Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian tentang sifat tribologis graphene terutama difokuskan pada mikro dan teori (Hirano dan Shinjo, 1990) (Dienwiebel et al., 2004; Song et al., 2018) dan dapat memberikan panduan untuk penelitian makro. Gesekan mikro terjadi pada antarmuka kontak kecil yang ideal, dan nanosheet graphene yang utuh bisa mendapatkan gesekan rendah (Hod et al., 2018; Chen dan Li, 2020). Namun, di makro, antarmuka kontak memiliki faktor besar dan berlimpah yang mempengaruhi kinerja gesekan (Cooper et al., 2019; Yu et al., 2020). Secara khusus, nanosheet graphene memiliki luas permukaan spesifik yang tinggi dan lebih mudah menyerap molekul gas di sekitarnya ketika terpapar atmosfer, yang akan dengan mudah mempengaruhi sifat tribologis makrosinya. Studi makroskal sebelumnya menunjukkan bahwa graphene menunjukkan gesekan rendah pada lingkungan kelembaban, hidrogen, atau udara dengan molekul gas aktif dan menunjukkan respons terhadap lingkungan atmosfer di sekitarnya (Berman et al., 2015; Li et al., 2017; Gao et al., 2018). Untuk memahami asal usul kinerja tribologis graphene, hubungan antara perubahan struktur mikro dan sifat tribologis masih perlu dieksplorasi dan dapat menjelaskan mekanisme pelumas graphene (mekanis graphene yang terkelupas secara mekan.

Berdasarkan hal ini, sifat tribologis makrosinya dari graphene di udara dan atmosfer nitrogen dieksplorasi, dan perilaku respons terhadap atmosfer di sekitarnya dipelajari. Kemudian struktur mikro yang sesuai dari antarmuka geser dan morfologi pasangan gesekan ditandai dengan mikroskop elektron transmisi (TEM) dan spektrum Raman serta citra optik untuk menyelidiki pengaruh lingkungan atmosfer pada struktur mikro dan efek pada perilaku gesekan macroscale dari graphene graphene. The research of the structural evolution induced by the surrounding atmospheres and their influence on the friction coefficient during the atmosphere change helps reveal the macroscale tribological performance of graphene and thus furthers understanding of the lubricating mechanism of graphite at the macroscale, which could be significant for providing guidance for graphene (graphite) to be used as a solid lubricant at the macroscale.

Metode

Bahan dan persiapan sampel

Graphene Powder dibeli dari Nanjing Jicang Nano Technology Company Limited (Nanjing, Cina), dan nanosheet graphene disiapkan dengan pengelupasan kulit mekanis. Alkohol volatile analitik (Tianjin, Cina) diperoleh secara komersial. Bubuk graphene yang dibeli dan alkohol yang mudah menguap tanpa perlakuan kimia dipilih untuk mengeksplorasi sifat inheren graphene murni. Struktur asli graphene ditunjukkan pada Gambar 1. Bubuk graphene di atas didispersikan dalam 100 mL alkohol volatil pada konsentrasi massa 2 g/L, dan kemudian dispersi disemprotkan pada substrat baja M2 segera setelah 30 menit ultrasonik (Gambar 2A menunjukkan proses persiapan sampel). Sebelum proses penyemprotan, substrat baja M2 diampelas oleh 1.000 parkas grit. Selama proses penyemprotan, nitrogen kemurnian tinggi kering digunakan sebagai gas pembawa pada tekanan 0.2 MPa (skema ditunjukkan pada Gambar 2B), dan sampel yang diperoleh dikeringkan dalam ruang hampa pada 80 ° C selama 1 jam untuk membeli lapisan graphene.

www.frontiersin.org

GAMBAR 1. Mikrostruktur asli graphene: (A) Pola XRD, (B) Spektroskopi Raman, (C) Morfologi graphene hrtem, (D) Ukuran lateral nanosheets graphene.

Kurva yang menarik: Peran deformasi dalam adhesi dan gesekan pada graphene †

P. V. Antonov ‡ a, p. Restuccia b, m. C. Righi * b dan j. W. M. Frenken§ * Ac
Pusat Penelitian Lanjutan untuk Nanolithography, Science Park 106, 1098 XG Amsterdam, Belanda. E-mail: [email protected]
b Departemen Fisika dan Astronomi, Universitas Bologna, Viale Berti Pichat 6/2, 40127, Bologna, Italia. E-mail: [email protected]
C Institute of Physics, University of Amsterdam, Science Park 904, 1098 XH Amsterdam, Belanda

Diterima 5 Mei 2022, diterima 7 September 2022

Pertama kali diterbitkan pada 14 September 2022

Abstrak

Pengukuran mikroskop gaya gesekan mengungkapkan perbedaan dramatis dari faktor 3 antara gaya gesekan yang dialami pada graphene monolayer tunggal di atas substrat tembaga teroksidasi dan tidak teroksidasi. Kami mengaitkan perbedaan ini dengan adhesi yang kuat dan lemah yang dikeluarkan graphene pada dua substrat ini, tetapi berpendapat bahwa terlalu besar untuk dianggap sebagai perbedaan dalam area kontak atau dengan perbedaan dalam kontak atau bahkan kombinasi dari dua efek ini. Kami menggunakan teori fungsional kepadatan untuk menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam reaktivitas kimia graphene saat melengkung.

1. Perkenalan

Graphene adalah satu monolayer dari SP 2 karbon terikat. Ini adalah bahan paling ringan, tertipis, dan terkuat yang diketahui hingga saat ini dan properti baru yang ekstrem terus ditambahkan ke daftar pertumbuhan untuk bahan khusus, dua dimensi ini. Karena graphene membentuk konstituen alami grafit dan grafit umumnya digunakan sebagai pelumas padat, sifat gesekan graphene juga menarik perhatian dan bahkan satu lapisan graphene diketahui mengurangi gesekan kering dan keausan dalam kontak geser. 2–11 Eksperimen gesekan skala nano dengan mikroskop gaya gesekan (FFM) telah menunjukkan bahwa gesekan pada graphene dapat bergantung secara sensitif pada jumlah lapisan graphene 12-14 dan kira -kira mencapai nilai grafit curah hanya pada ketebalan empat lapisan. 15

Karena graphene memiliki kekakuan lentur out-of-plane yang relatif rendah, ia dapat dengan mudah menonjol (kerutan) di depan ujung AFM geser. 15 Efek ini diamati secara khusus pada substrat silikon oksida dan tembaga, yang keduanya memiliki adhesi lemah terhadap graphene. Kerutan ditemukan peka terhadap jumlah lapisan graphene dan menjadi kurang jelas, karena jumlah lapisan meningkat. Efek terakhir dikaitkan dengan adhesi yang lebih kuat dari lapisan atas graphene ke lapisan graphene yang mendasari, yang mengurangi kerutan dan disertai dengan pengurangan gaya gesekan. Sejalan dengan itu, kerutan ditekan pada substrat di mana graphene mengalami adhesi yang kuat, seperti mika, 15 di mana gaya gesekan diamati tidak bergantung pada jumlah lapisan graphene.

Peningkatan gesekan yang terkait dengan efek kerutan pada awalnya dikaitkan dengan peningkatan area kontak antara ujung AFM dan lipatan yang diperkenalkan di graphene di depan dirinya sendiri. 15–17 kemudian, penulis yang sama menunjukkan bahwa peningkatan gesekan secara substansial lebih besar dari perubahan area kontak yang mereka perkirakan karena kerutan graphene. Oleh karena itu, mereka mengusulkan penjelasan alternatif, di mana peran kunci diberikan kepada kebebasan graphene untuk berubah bentuk secara lokal untuk mengoptimalkan kesepiannya dengan daerah -daerah di ujungnya, yang membuat kontak intimnya. Efek kontak-komensurabilitas ini memang dapat dikenali dalam simulasi MD klasik. 18 Eksperimen mikroskop gesekan baru-baru ini pada graphene berdiri bebas memberikan bukti lebih lanjut untuk skenario ini. 19

Perhitungan Teori Fungsional Densitas Terbaru (DFT) mengungkapkan bahwa adhesi satu lapisan graphene ke substrat logam sangat sensitif terhadap struktur elektronik dari substrat tersebut. Sebagai contoh, graphene mengikat lebih kuat pada zat besi daripada pada tembaga karena keadaan d zat besi, yang sebagian ditempati, direhikridisasi dengan π orbital graphene, sehingga mempromosikan chemisorption alih -alih physisorption. 20 Perbedaan ini memiliki dampak langsung pada perilaku tribologis graphene pada dua substrat yang berbeda. 21,22

Dalam artikel ini, kami menyajikan studi eksperimental dan teoritis gabungan tentang interaksi antara monolayer graphene dan dukungannya dan pengaruh interaksi ini pada gesekan. Sebagai dukungan untuk graphene, kami menggunakan tembaga bersih dan tembaga teroksidasi, dan kami menemukan bahwa kekuatan gesekan yang dialami pada graphene pada dukungan ini berbeda dengan faktor 3 – sejauh ini kontras gesekan terbesar yang ditemukan pada graphene hingga saat ini. Perbedaan ini melebihi efek gabungan dari peningkatan yang diinduksi kerutan dalam area kontak dan peningkatan yang dibantu oleh deformasi dari kontak yang dimaksudkan, yang disebutkan di atas, dan menunjukkan kontribusi sumber pengaruh yang lebih kuat pada kekuatan gesekan tersebut. Kami menerapkan perhitungan teori fungsional kepadatan (DFT) untuk mengungkapkan bahwa kerutan menginduksi hibridisasi ulang ikatan karbon di dalam daerah graphene, yang mengubahnya dari inert menjadi ‘reaktif’. Tip yang meluncur di wilayah seperti itu karena itu mengalami adhesi dan gesekan yang lebih tinggi.

Studi kami mungkin relevan dalam konteks aplikasi potensial graphene lapisan tunggal dalam kontak geser kering, terutama dalam kasus di mana penyetelan lokal dari gaya gesekan mungkin diperlukan, e.G. , di perangkat MEMS atau NEMS. 23,24

2. hasil dan Diskusi

2.1. Hasil eksperimen

Kami mulai dengan mengkarakterisasi sistem graphene-on-copper yang baru diendapkan, disiapkan seperti yang dijelaskan dalam Bagian 3. Ara. 1 menyajikan spektrum Raman yang khas, diperoleh 10 hari setelah graphene disimpan. Puncak 2D simetris dan tajam pada 2727 cm −1 menegaskan bahwa ini adalah lapisan graphene tunggal, sedangkan tidak adanya d-peak pada 1350 cm −1 menunjukkan tidak adanya cacat kristal dalam butiran graphene dan harus diambil sebagai tanda tangan dari kualitas bahan yang baik. 25,26 juga rasio intensitas antara 2d-g-peaks, i 2d/ SAYA G, yang sedikit lebih besar dari satu, menunjukkan adanya hanya monolayer graphene. Perhatikan, bahwa rasio ini sangat tergantung pada energi eksitasi laser dan itu sensitif terhadap detail ikatan antara lapisan graphene dan substrat. 27 Telah ditunjukkan bahwa dalam kisaran laser hijau (energi eksitasi 2.2 ÷ 2.4 eV) Intensitas profil resonansi Raman menjadi lebih kuat daripada pada energi yang lebih tinggi (di atas 2.8 eV). Efek ini terkait dengan pita photoluminescence dari substrat Cu. Dalam percobaan kami, kami menggunakan panjang gelombang laser 514 nm, yang sesuai dengan energi eksitasi 2.41 EV. Spektrum yang diperoleh sesuai dengan literatur. 25–27 untuk kelengkapan, kami menyebutkan bahwa latar belakang pendaran dari substrat tembaga dikurangi dari spektrum dalam ara. 1.

Ara. 1 Spektrum Raman dari sampel graphene yang ditanam, 10 hari setelah pertumbuhan CVD graphene pada film tembaga (111) yang ditekstur pada permukaan (111) safir. G- dan 2D-Peaks diberi label, seperti lokasi di mana D-peak, karena cacat struktural, harus diharapkan. Spektrum menunjukkan bahwa ini adalah lapisan graphene tunggal dengan kualitas struktural yang relatif tinggi, i.e. , kepadatan cacat rendah.

Selain spektrum Raman, kami memeriksa sampel graphene-on-copper panjangnya dengan AFM, seperti yang diilustrasikan oleh Fig. 2a. Cacat di mana graphene hilang secara lokal telah ditemukan kadang -kadang. Di lokasi-lokasi ini, dimungkinkan untuk mengukur ketinggian overlayer dan juga pengukuran yang selalu memverifikasi karakter monolayer tunggal dari materi kami. Inspeksi optik dan gambar AFM menunjukkan bahwa monolayer graphene menutupi seluruh substrat secara seragam dan bahwa substrat (plus graphene) relatif datar (± 10 nm).

Ara. 2 Gambar AFM dan mikrograf optik dari permukaan tembaga yang tertutup graphene. (a) Gambar AFM beberapa hari setelah deposisi graphene dan paparan udara selanjutnya. (B) Gambar AFM dari daerah permukaan yang hampir sama setelah 2 bulan paparan tambahan ke udara. Perhatikan jaringan garis dan pulau yang menonjol, terkait dengan oksidasi substrat tembaga yang mendasarinya melalui GGBS. (c) Mikrograf optik dari area yang berbeda dari permukaan yang sama setelah 2 bulan paparan udara, juga menunjukkan jaringan GGB yang didekorasi oksida. Gambar ini juga menunjukkan Cu GB. Perhatikan, bahwa orientasi GGB tampaknya tidak dipengaruhi oleh orientasi Cu GB.

Setelah deposisi dan karakterisasi awal, sampel graphene-on-copper disimpan pada suhu kamar di udara pada kelembaban relatif sekitar 50%, untuk durasi total dua bulan. Kami menemukan bahwa tidak hanya permukaan tembaga telanjang berubah di bawah pengaruh atmosfer, tetapi juga topografi permukaan sampel graphene-on-copper kami perlahan-lahan berevolusi. Ini dapat dikenali dengan membandingkan gambar AFM dalam ara. 2b, diambil pada sampel yang tertutup graphene setelah dua bulan paparan udara, dengan ‘segar’ satu dalam gbr. 2A dan C menunjukkan mikrograf optik dari sampel yang sama, terpapar dua bulan, yang tertutup graphene yang tertutup graphene. Seperti disebutkan di atas, gambar AFM dalam ara. 2A adalah karakteristik untuk graphene berkualitas tinggi pada tembaga yang relatif datar dan halus. Ini menunjukkan variasi tinggi yang sederhana dan langkah -langkah atom dari substrat tembaga dapat dibedakan. Selain fitur -fitur ini, ara. 2B, yang menunjukkan area yang hampir sama, mengungkapkan jaringan garis dan pulau yang menonjol. Biasanya, ketinggian tonjolan ini tidak melebihi 5 nm. Gambar optik ara. 2C menunjukkan jaringan yang serupa, garis dan pulau di mana kontras optik telah berubah. Kami mengaitkan perubahan lambat ini dengan oksidasi substrat tembaga, seperti yang akan dibuktikan lebih lanjut oleh pengukuran spektroskopi AFM dan Raman, yang dibahas di bawah ini. Graphene yang sempurna secara struktural tidak dapat ditembus untuk oksigen dan cacat struktural dalam graphene, seperti batas butir graphene (GGB), membentuk satu -satunya lokasi di mana oksigen dapat melewati dan mencapai tembaga. 28 Ini menimbulkan oksidasi yang lambat dan terbatas difusi dari substrat tembaga, yang diletakkan di GGB dan menyebar ke samping untuk mengoksidasi tembaga di bawah graphene.

Untuk kelengkapan, kami menyebutkan bahwa gambar optik juga mengandung cacat diperpanjang yang jelas berbeda dalam bentuk dan kontras dari GGB yang didekorasi oksida. Kami mengaitkannya dengan film tembaga dan menafsirkannya sebagai batas butir tembaga (GB). Orientasi GGB tampaknya tidak bergantung pada orientasi langkah tembaga dan GB tembaga (gbr. 2c). Titik hitam, sebagian besar terlihat pada GB tembaga dalam mikrograf optik (gbr. 2c), adalah daerah dari oksida tembaga curah yang telah tumbuh tingginya di atas permukaan sampel dan tidak lagi berpakaian dengan graphene. Kami menyimpulkan ini dari pengukuran Raman yang dilakukan di lokasi -lokasi ini. Agaknya, daerah ini dibentuk di tempat -tempat di mana kepadatan cacat tertinggi, baik di graphene maupun di tembaga yang mendasarinya, memungkinkan laju oksidasi yang relatif tinggi. 28

Untuk mendapatkan bukti langsung untuk oksidasi lokal dari substrat tembaga, kami mengukur spektrum Raman pada area yang dimodifikasi, dekat dengan GGB, dan membandingkannya dengan spektrum yang diambil pada area yang tidak dimodifikasi, pada jarak dari GGB terdekat setidaknya 20 μm μm. Contoh spektrum Raman pada daerah yang menonjol yang menghiasi GGB, disajikan sebagai grafik atas dalam ara. 3. Spektrum ini harus dibandingkan dengan grafik yang lebih rendah, diambil pada sampel yang sama, pada wilayah yang jauh dari GGB yang tampaknya tidak terpengaruh oleh dua bulan paparan udara. Tiga puncak dalam spektrum atas pada 149, 218 dan 653 cm −1 adalah tanda tangan Cu2O, 29 dan mendukung interpretasi kami bahwa substrat tembaga teroksidasi di lokasi tonjolan. Puncak ini tidak ada dalam spektrum bawah, sesuai dengan gagasan bahwa graphene melindungi sebagian besar substrat tembaga dari oksidasi. Kami menemukan bahwa pada tembaga teroksidasi, g-dan 2d-peaks dari graphene keduanya hadir, menunjukkan bahwa graphene masih ada dan tidak teroksidasi. G- dan 2D-Peaks keduanya ‘bergeser merah’ sehubungan dengan puncak yang sesuai untuk ‘reguler’ Graphene pada tembaga yang tidak dimodifikasi (gbr. 1 dan grafik lebih rendah dalam ara. 3), dari 1592 hingga 1585 cm −1 untuk g-peak, dan dari 2727 hingga 2680 cm −1 untuk puncak 2D. Sebelumnya, pergeseran merah yang serupa dari puncak Raman yang khas dilaporkan untuk sampel tembaga yang dilapisi graphene yang dioksidasi dengan sengaja dengan radiasi ultraviolet (UV) dalam atmosfer oksigen. 28.30 Menariknya, pergeseran merah dari puncak karakteristik diketahui berasal dari regangan tarik dalam graphene. Dalam kasus kami, ada alasan alami untuk ketegangan seperti itu dalam pandangan peningkatan volume di bawah graphene karena oksidasi tembaga. 30 Menggunakan Pengamatan Ref. 31 Sebagai kerangka referensi kami, kami mengaitkan pergeseran merah pada ara. 3 ke perubahan tarik dalam strain graphene antara 0.5 dan 1.5%. Ada juga perubahan dalam rasio intensitas 2D- dan G-peaks, yang sama dengan i 2d/ SAYA G = 2.3 pada tembaga teroksidasi (grafik atas dalam ara. 3), yang jauh lebih tinggi dari rasio kira -kira satu kesatuan untuk daerah yang tidak teroksidasi (CF. Ara. 1 dan grafik lebih rendah dalam ara. 3).

Ara. 3 Spektrum Raman yang diambil dengan panjang gelombang eksitasi 514 nm pada sampel graphene-on-copper, setelah terkena udara selama 2 bulan. Pengukuran (spektrum atas, merah) pada wilayah GGB yang menonjol. Pengukuran referensi (spektrum bawah, hitam) yang jauh dari GGBS. Perhatikan puncak tambahan dalam spektrum atas, pada 149, 218, dan 653 cm – 1, terkait dengan Cu2HAI. Perhatikan juga ‘shift merah’ dari G- dan 2D-Peaks pada substrat teroksidasi dan tidak adanya D-peak pada 1350 cm −1 .

Terlepas dari perubahan regangan, spektrum Raman pada daerah teroksidasi tidak mengandung d-peak yang terdeteksi, menunjukkan bahwa oksidasi substrat dan regangan internal dalam overleme graphene tidak disertai dengan cacat struktural dalam graphene.

Menggunakan AFM, kami mengukur topografi lokal dan perilaku gesekan sampel graphene-on-copper, baik sebelum dan sesudah paparan udara yang berkepanjangan. Ara. 4a dan b menyajikan kombinasi tinggi dan pengukuran kekuatan lateral pada 1.5 × 0.5 μm 2 luas sampel yang terbuka, berpusat di sekitar wilayah oksida dengan GGB di tengah; GGB berjalan kira -kira secara vertikal di tengah gambar dan menonjol paling jelas di peta gaya lateral panel (C). Pengukuran AFM dilakukan di ambient pada gaya normal f N dalam kisaran dari 23.7 hingga 33.0 nn, menggunakan kantilever dengan koefisien pegas normal 0.09 n m −1 dan koefisien pegas lateral 38 n m −1 . Grafik dalam ara. 4A dan B menunjukkan tinggi khas dan kurva gaya lateral; mereka dibawa sepanjang garis putus -putus putih di dua gambar yang sesuai. Pengukuran ketinggian menunjukkan bahwa daerah oksida lebih tinggi dari permukaan sekitarnya dan tidak teroksidasi sebesar 2 hingga 4 nm. Menariknya, pengukuran kekuatan lateral f L Pada panel (b) menunjukkan bahwa gaya gesekan yang dialami oleh ujung AFM pada graphene pada tembaga teroksidasi secara signifikan lebih rendah daripada pada tembaga yang tidak oksidasi. Ini dapat dikenali dari kontras dalam gambar gaya gesekan, warna yang lebih cerah yang sesuai dengan nilai absolut yang lebih rendah dari gaya lateral, dan dari perubahan dalam kurva jejak dan retrace dalam grafik gaya lateral yang sesuai, nilai absolut untuk gaya lateral untuk kedua kurva yang minimal pada wilayah teroksidasi, nilai absolut. Perhatikan, bahwa maksimum lokal diamati pada gaya lateral melintasi GGB (gbr. 4b).

Ara. 4 Perbandingan kuantitatif sifat gesekan graphene pada tembaga dan graphene pada Cu2HAI. (a) Gambar ketinggian AFM biasa, diperbesar pada 1.5 × 0.5 μm 2 Wilayah sampel tembaga yang tertutup graphene dengan daerah teroksidasi di tengah, dikombinasikan dengan profil tinggi tunggal yang diambil di sepanjang garis putus-putus pada gambar. (B) Gambar gaya lateral dari area yang sama, diambil dalam arah retrace (kanan ke kiri) pada gaya normal fN = 23.7 NN, dikombinasikan dengan dua profil gaya lateral, diambil dalam arah jejak dan retrace di sepanjang garis putus -putus pada gambar (lokasi yang sama dengan garis putus -putus di (a)). (c) Ketergantungan (nilai absolut dari) gaya lateral pada gaya normal untuk graphene pada tembaga dan untuk graphene pada Cu2O, diukur sepanjang garis putus -putus yang sama di (a) dan (b); Lereng menunjukkan koefisien gesekan.

Bukti tambahan untuk perbedaan perilaku gesekan antara daerah yang teroksidasi dan tidak teroksidasi berasal dari pengukuran gaya lateral sebagai fungsi dari gaya normal, ditunjukkan pada Gambar. 4c. Baik untuk daerah yang teroksidasi dan tidak teroksidasi, gaya lateral, diplot dalam ara. 4c, dihitung sebagai gaya lateral rata -rata dalam pengukuran seperti yang ada di Fig. 4b, lebih dari daerah yang tidak berada di dekat transisi antara tembaga dan oksida atau di dekat fitur topografi signifikan lainnya yang dapat menyebabkan artefak dalam gaya lateral yang diukur. Margin kesalahan dalam ara. 4c menunjukkan standar deviasi pada rata -rata yang diukur, margin kesalahan pada data untuk daerah teroksidasi (kotak merah) termasuk hanya dalam ukuran simbol.

Dari gbr. 4c, kami menyadari bahwa tidak hanya gaya gesekan yang lebih rendah pada daerah teroksidasi, tetapi juga koefisien gesekan, I.e. , kemiringan μ = df L/ df N. Ini dapat dilihat langsung dari dua linear yang cocok dalam ara. 4c. Kami menemukan μ sapi = 0.034 ± 0.02 untuk gesekan pada graphene pada tembaga teroksidasi dan μ unox = 0.093 ± 0.02 untuk gesekan pada graphene pada tembaga telanjang.

2.2. Kerutan sebagai interpretasi kualitatif

Disarankan sebelumnya bahwa perpindahan lateral dari ujung yang meluncur di atas graphene dapat membuat graphene secara lokal diangkat dari substrat, membentuk tonjolan di depan ujung, ketika interaksi ujung dengan graphene cukup kuat sehubungan dengan adhesi graphene-substrat-substrat. Studi AFM sistematis untuk bahan berlapis yang berbeda menunjukkan bahwa kerutan ini adalah fenomena universal untuk bahan yang melekat dengan lemah atau ditangguhkan secara bebas. 3,8,15,32,33 pada gilirannya, itu ditekan untuk substrat yang sangat menempel. 15

Kami menafsirkan temuan eksperimental kami bahwa gesekan rendah pada tembaga teroksidasi sebagai konsekuensi dari pengurangan efek kerutan pada Cu2O Sehubungan dengan tembaga yang tidak oksidasi. Graphene telah terbukti menunjukkan adhesi yang kuat pada oksida lain, AL2HAI3 dan si2O, hampir sama kuatnya dengan Fe. 21 karena adhesi diketahui tumbuh dengan meningkatnya konstanta dielektrik substrat dan nilai ε Cu2HAI = 18.1 untuk Cu2O jauh lebih tinggi dari itu untuk Si2O ε Si2HAI = 3.5, 34 kita bisa mengharapkan adhesi graphene menjadi lebih kuat pada Cu2O daripada di si2HAI.

Di bagian selanjutnya kami menggunakan perhitungan DFT untuk mengeksplorasi apakah adhesi antara graphene dan Cu2O cukup berbeda dari antara graphene dan tembaga telanjang untuk mendukung gagasan bahwa kerutan ditekan oleh oksidasi substrat. Dan kedua, kami bertujuan untuk menjelaskan mengapa penindasan kerutan ini disertai dengan pengurangan gesekan yang konsisten.

Selain peningkatan adhesi graphene-substrat, kita dapat membayangkan dua kontribusi lebih lanjut untuk berkurangnya kerutan graphene pada oksida. Yang pertama adalah bahwa kekasaran substrat yang lebih tinggi dapat mengurangi adhesi antara ujung dan graphene dan dengan demikian menekan efek kerutan di antara mereka. 35 Kami mengukur kekasaran RMS untuk graphene pada Cu2O dari 0.7 nm, memang lebih tinggi dari kekasaran 0.4 nm untuk graphene pada tembaga telanjang. Lapisan graphene pada tembaga telanjang menyajikan kerutan yang lebih tinggi daripada pada tembaga teroksidasi, bahkan jika substrat yang terakhir sedikit lebih kasar. Efek kontra-intuitif ini dijelaskan oleh tingkat adhesi yang berbeda yang diperkirakan oleh perhitungan DFT, yang membuatnya lebih mudah bagi graphene untuk mengubah bentuk deformasi di luar bidang jauh lebih mudah pada substrat yang patuh lemah. Yang kedua adalah peningkatan volume karena oksidasi lokal dari substrat memperkenalkan regangan tarik dalam overlayer graphene, merentangkan kerutan dan membuat graphene kurang rentan untuk membungkus ujung apex ujung. Tak satu pun dari kontribusi tambahan ini diharapkan cukup untuk menjelaskan penurunan gesekan dramatis.

2.3. Perhitungan DFT

Struktur yang dioptimalkan dari graphene teradsorpsi pada empat substrat yang dipertimbangkan ditunjukkan pada ara. 5, bersama dengan energi pengikat yang dihitung, E B dan jarak, D . Hasil untuk graphene pada tembaga telanjang, yang termasuk dalam kisaran khas interaksi fisisorpsi, sesuai dengan perhitungan teoretis sebelumnya. 36–38 Kami tidak menyadari perhitungan teoritis sebelumnya dari adsorpsi graphene pada tembaga oksida. Perhitungan kami mengungkapkan bahwa oksidasi tembaga menyebabkan peningkatan adhesi graphene ke substrat. This result, which is independent of the surface orientation of the oxide, can be explained by considering the different reactivity of the Cu atoms in the clean and oxidized samples: the Cu atoms of the elemental substrate have fully occupied d orbitals and are less reactive when exposed at the surface than the Cu atoms at surfaces of the three oxide substrates, where the re-hybridization, caused by the interaction with the oxygen, results in a number of under-coordinated sites at the surface that are more reactive. 39 di Cu2O (111) Substrat, khususnya, atom tembaga yang kurang terkoordinasi cenderung membentuk ikatan kimia dengan atom karbon di atas, yang memperkenalkan deformasi kecil di luar bidang di lapisan graphene dan meningkatkan energi pengikatannya dengan lebih dari faktor dua sehubungan dengan tembaga murni dan murni.

Ara. 5 Hasil DFT untuk geometri, energi pengikat, e B dan jarak ikatan, D untuk graphene pada (a) Cu (111), (b) Cu2O (100): Cu, (c) Cu2O (100): o dan (d) cu2O (111).

Hasil yang dilaporkan dalam Gambar. 5 dihitung dalam perkiraan LDA. Yang diperoleh dengan menggunakan fungsional pertukaran lainnya, juga termasuk interaksi van der Waals, dilaporkan dalam ESI.† Yang penting, tren yang diamati untuk pengikatan graphene pada substrat yang berbeda adalah umum untuk semua fungsional yang dipertimbangkan.

Perbedaan dalam energi pengikatan yang diungkapkan perhitungan kami untuk graphene pada CU unsur dan teroksidasi, dapat terkait dengan perbedaan sifat gesekan yang diamati dalam percobaan kami. Secara khusus, kita harus berharap bahwa peningkatan energi pengikat yang terjadi pada oksidasi substrat Cu menekan efek kerutan. Memang, seperti yang disarankan untuk menjelaskan berbagai perilaku gesekan film graphene multilayer pada substrat yang berbeda, 15 Pengurangan hasil kerutan graphene dalam penurunan gesekan. Di sini, kami akan memeriksa hubungan antara kerutan dan gesekan secara lebih rinci. Seperti yang disebutkan dalam Pendahuluan, dua hipotesis utama diusulkan dalam konteks ini, yaitu peningkatan area kontak yang disebabkan oleh pembentukan tonjolan di depan ujung dan peningkatan komensurabilitas antara ujung dan graphene, diaktifkan oleh fleksibilitas graphene pada substrat yang menarik dengan lemah dengan lemah. Tampaknya tidak realistis bahwa salah satu dari efek ini atau bahkan kombinasi keduanya dapat menyebabkan pengurangan gesekan yang diamati oleh hampir faktor tiga.

Di sini kami memperkenalkan penjelasan baru, berdasarkan analisis reaktivitas kimia graphene sebagai fungsi dari kelengkungannya. Secara khusus, kami mengusulkan bahwa kerutan graphene disertai dengan perubahan hibridisasi atom karbon dari SP 2 ke sp 3 -Seperti, dengan peningkatan reaktivitas yang sesuai karena penampilan ikatan yang menggantung. Hipotesis ini sesuai dengan pengamatan bahwa molekul air secara disosialisasi secara chemisorb pada daerah graphene melengkung, sementara mereka dengan lemah physisorb pada graphene datar, seperti yang diungkapkan oleh simulasi dinamis QM/mM yang dilakukan oleh kelompok kami. 40

Untuk memverifikasi hipotesis ini, kami menghitung efek dari berbagai kelengkungan pada energi permukaan graphene yang berdiri bebas. Seperti yang ditunjukkan pada ara. 6b, di mana kelengkungan yang dipertimbangkan sama dengan ara. 5D, deformasi kecil di luar bidang, yang disebabkan oleh interaksi dengan Cu2O (111) Substrat, tidak menghasilkan peningkatan energi permukaan yang signifikan sehubungan dengan graphene datar (gbr. 6a). Sebaliknya, 0 yang diberlakukan.3 nm kerutan di ara. 6c disertai dengan peningkatan energi permukaan yang sangat besar dengan 4 j m −2 . Struktur graphene melengkung dari ara. 6c diperoleh dengan optimalisasi struktural sistem graphene berdiri bebas yang terdiri dari 50 atom karbon dalam supercell di mana area dalam bidang sengaja dibuat 19% lebih kecil dari ukuran kesetimbangan. Meskipun situasi yang sangat tegang ini harus dianggap sebagai berlebihan sehubungan dengan konfigurasi khas yang harus diharapkan dalam kasus kerutan yang diinduksi kontak, contoh ara. 6c berguna untuk menekankan peningkatan energi yang sangat besar yang diperkenalkan dalam graphene dengan distorsi kerutan.

Ara. 6 Hasil DFT untuk geometri, energi permukaan dan deformasi graphene di luar bidang dengan tiga kelengkungan yang berbeda. (a) Graphene yang datar dan berdiri bebas, (b) graphene melengkung ringan pada Cu2O (111) dan (c) graphene berdiri bebas dengan kelengkungan yang kuat, dikenakan oleh kompresi lateral 19%. Energi permukaan dinyatakan sebagai perbedaan sehubungan dengan nilai untuk lapisan graphene berdiri bebas.

Peningkatan energi dan, karenanya, dalam reaktivitas graphene berasal dari redistribusi muatan elektronik dalam jaringan karbon. Untuk memvisualisasikan efek ini, kami menghitung penataan ulang muatan yang terjadi untuk lapisan graphene datar dan kerutan, ketika mereka dibentuk dari pengaturan hipotetis atom C yang awalnya tidak berinteraksi, terletak di posisi yang sama. Seperti yang ditunjukkan pada ara. 7, interaksi karbon -karbon menyebabkan akumulasi muatan (berwarna merah) di sepanjang ikatan graphene dan penipisan yang sesuai (berwarna biru) dari daerah lain antara atom, e.G. , dari pusat cincin graphene, di mana distribusi kerapatan elektron dari atom yang awalnya tidak berinteraksi tumpang tindih. Dengan membandingkan tampilan atas dan samping dalam ara. 7b dan D untuk struktur kerutan dengan pandangan yang sesuai dalam ara. 7a dan c untuk pengaturan datar, kami menyadari bahwa ikatan di sepanjang lereng graphene melengkung mengandung jumlah muatan yang lebih besar daripada yang ada di graphene datar dan bahwa penipisan muatan yang lebih besar terjadi di atas dan di bawah atom -atom ini, menunjukkan bahwa orbital P telah menghilang dan hibridisasi tidak dapat lagi dianggap sebagai SP SP telah dihilangkan dan hibridisasi tidak lagi dianggap sebagai SP SP sebagai SP SP sebagai SP SPS telah menghilang dan hibridisasi tidak dapat dianggap sebagai SP SP sebagai SP SP telah menghilang dan hibridisasi tidak dapat dianggap sebagai SP SP sebagai SP SP telah menghilang dan hibridisasi tidak dapat dianggap sebagai SP SP sebagai SP SP telah menghilang dan hibridisasi tidak dapat dianggap sebagai SPS SPS tidak dianggap sebagai SP SP telah dihilang sebagai SPS SP telah menghilang dan hibridisasi tidak dapat dianggap sebagai SP SPS SP tidak lagi dianggap sebagai SP SP SP SP SP tidak dapat dihilangkan dan Hibridisasi tidak dapat dianggap sebagai SPS SP tidak dapat dianggap sebagai SPS tidak dapat dianggap sebagai SPS SP tidak dapat dianggap sebagai SPS 2 . Perubahan kepadatan elektronik ini juga tercermin dalam ara. 8 Dalam struktur pita graphene melengkung, di mana celah dibuka pada titik -k yang mendistorsi kerucut Dirac dan menghilangkan titik Dirac, dua fitur yang menentukan dalam struktur pita graphene datar datar.

Ara. 7 Hasil DFT untuk redistribusi muatan elektronik, saat interaksi ‘beralih’ di antara atom karbon dalam graphene datar (panel A dan C) dan dalam graphene yang mengerut (panel B dan D). Warna merah dan biru menunjukkan akumulasi dan penipisan kepadatan elektron, masing -masing. Sedangkan redistribusi untuk lapisan datar adalah ilustratif untuk SP 2 Ikatan dalam jaringan graphene, penipisan muatan di pusat cincin heksagonal menunjukkan hilangnya orbital P dan transisi lokal dari SP 2 ke sp 3 konfigurasi.
Ara. 8 Struktur pita elektronik untuk graphene datar (hitam) dan kerutan (merah), di sepanjang tiga arah simetri tinggi di zona brillouin pertama graphene. Selain perubahan yang diinduksi distorsi dalam eigenenergi yang tepat, grafik menunjukkan bahwa kerutan graphene mengarah ke distorsi berat dari karakteristik kerucut Dirac di sekitar k -point dan pembukaan yang menyertainya dari celah energi yang signifikan alih -alih titik Dirac dari graphene datar flat. Perubahan struktur pita ini tercermin dalam perubahan dalam distribusi kerapatan muatan Fig. 7 dan reaktivitas yang ditingkatkan dari graphene melengkung.

Reaktivitas graphene melengkung yang lebih tinggi bukanlah konsep baru dalam literatur: sistem ini telah diusulkan sebagai konfigurasi yang efisien untuk penyimpanan hidrogen. 41,42 Sebagai bukti lebih lanjut dari peningkatan reaktivitasnya, kami menunjukkan dalam ESI † bahwa energi adsorpsi molekul hidrogen pada graphene datar (+0.91 EV per h2 molekul) sangat berbeda dari itu pada graphene melengkung (−0.36 EV per h2 molekul) dan tentu saja lebih mendukung yang terakhir. Oleh karena itu, perhitungan dan data eksperimental kami menunjukkan hipotesis baru mengenai efek kerutan yang ada dalam percobaan nanotribologi. Alih -alih meningkatkan area kontak antara ujung dan substrat, kami mengusulkan bahwa peningkatan transfer muatan graphene melengkung yang mengarah pada peningkatan reaktivitas yang dapat menjelaskan gesekan yang lebih besar antara ujung dan sampel yang diamati dalam percobaan.

3. Kesimpulan

Berdasarkan studi eksperimental dan teoritis gabungan kami, kami menyimpulkan bahwa oksidasi lokal substrat Cu di bawah monolayer graphene menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam adhesi graphene ke substrat dan pengurangan yang sesuai dalam efek kerutan puckering. Penurunan gaya gesekan yang diukur sangat besar sehingga tidak dapat dianggap hanya karena perubahan area kontak atau kemajuan lokal. Sebagai kontribusi dominan terhadap perbedaan besar dalam gesekan, kami mengidentifikasi perubahan struktur elektronik yang diperkenalkan secara lokal pada graphene yang mengeras dan perubahan yang sesuai dalam reaktivitas dan, dengan demikian, adhesi dan gesekan antara graphene dan ujung mikroskop gaya gesekan mikroskop gesekan gesekan gesekan gesekan gesekan gesekan gesekan gesekan gesekan gesekan gesekan mikroskop gesekan gesekan mikroskop gesekan gesekan gesekan mikroskop gesekan gesekan mikroskop gesekan gesekan gesekan mikroskop gesekan gesekan gesekan gesekan mikroskop. Karena geometri dalam percobaan asperitas tunggal ini mungkin mirip dengan konfigurasi lokal dalam kontak kering yang diperluas yang dilumasi oleh monolayer tunggal graphene, kita harus mengharapkan ketergantungan yang sama kuatnya dengan kualitas pelumas dari kontak tersebut pada keadaan oksidasi substrat di mana graphene berada di mana graphene berada di tempat graphene berada pada status oksidasi dari substrat di mana graphene berada di mana graphene berada di mana graphene berada di mana graphene tinggal. Ini harus relevan dalam konteks MEMS canggih dan perangkat NEMS di mana pelumasan graphene diterapkan atau dipertimbangkan.

4. Bahan dan metode

4.1. Eksperimental

Untuk percobaan kami, kami menggunakan sampel graphene monolayer tunggal berkualitas tinggi yang diperoleh dari nanolayer terapan b.V. (ANL). 43 Graphene ditanam oleh Chemical Vapor Deposition (CVD) pada film tembaga polikristalin tipis. Film -film tembaga ini dibentuk oleh deposisi sputter dari tembaga pada wafer safir (111) (diameter 51 mm, ketebalan 750 μm). Ketebalan film tembaga adalah 1 μm. Butir tembaga dalam film menunjukkan preferensi yang kuat untuk orientasi permukaan (111). Sampel graphene-on-copper diperiksa pada berbagai tahap dalam percobaan dengan mikroskop optik dan dengan spektroskopi Raman Raman dengan panjang gelombang eksitasi 514 nm. Pengukuran spektroskopi Raman ini dilakukan dengan ukuran titik sekitar 1 μm yang dapat ditempatkan sehubungan dengan fitur dalam gambar mikroskop optik dengan presisi beberapa mikrometer. Pengukuran topografi yang lebih tepat dan pengukuran gaya lateral dilakukan dengan ikon AFM Bruker, menggunakan probe Si3N4 berbentuk V (DNP-10). Kalibrasi gaya normal dan lateral dilakukan sesuai dengan metode yang dibahas dalam referensi. 44 dan 45.

4.2. Teoretis

We performed density functional theory (DFT) calculations within the plane-waves/pseudopotential scheme, 46 considering different approximations for the exchange-correlation functional, namely the local density approximation (LDA), the generalized gradient approximation due to Perdew, Burke and Ernzerhof (PBE), 47 and the PBE-D scheme. Yang terakhir termasuk interaksi van-der-waals dalam pendekatan semi-empiris yang diusulkan oleh Grimme. 48

Kami mempelajari adsorpsi graphene baik pada tembaga maupun pada oksida tembaga. Dalam kasus tembaga, kami mempertimbangkan permukaan (111), sebagai permukaan yang paling stabil dari bahan ini dan yang disukai, seperti yang ditemukan dalam percobaan, sedangkan untuk Cu2O Kami mempertimbangkan tiga orientasi permukaan yang berbeda, untuk menganalisis efek stoikiometri permukaan yang berbeda. Secara khusus, kami mempertimbangkan Cu2O (100): permukaan Cu, berakhir dengan lapisan tembaga; Cu2O (100): o Permukaan, berakhir dengan lapisan oksigen, dan Cu2O (111) Permukaan, diakhiri dengan lapisan yang mengandung tembaga dan oksigen dalam rasio stoikiometri 2: 1. Stabilitas relatif dari permukaan ini berubah sebagai fungsi dari potensi kimia oksigen. 39

Adsorpsi graphene pada substrat tembaga dan tembaga ini dipelajari menggunakan supercell periodik yang mengandung lempengan substrat dan daerah vakum 1 nm dan 1.Ketebalan 5 nm, masing -masing. Ukuran dalam bidang supercell dipilih sesuai dengan ketidakcocokan kisi antara lapisan graphene dan substrat: sel (1 × 1) digunakan untuk sel Cu (111), A (3 × 3) untuk Cu2O (100), dan sel (2 × 2) untuk Cu2O (111) permukaan. Untuk semua sistem yang dipertimbangkan, ketidakcocokan kisi residual antara graphene dan substrat sekitar 2.5%. Kami menghitung energi pengikat graphene pada substrat sebagai e B = (Esubstrat + E Grap – e tot)/ A, di mana a adalah area dalam bidang yang dipertimbangkan supercell, e substrat (E Grap) adalah energi total dari supercell yang mengandung substrat terisolasi (graphene) dan e tot adalah energi total dari supercell yang sama yang mengandung graphene teradsorpsi pada substrat yang dipertimbangkan. Rincian komputasi lebih lanjut dilaporkan dalam ESI, † bersama dengan hasil tentang struktur curah.

Kontribusi Penulis

P. V. Antonov: Investigasi, Melakukan Pekerjaan Eksperimental, Draf Penulisan-Original. P. RESUCCIA: Investigasi, melakukan perhitungan teoretis, penulisan-tinjauan & pengeditan. M. C. Righi: Konseptualisasi karya teoretis, pengawasan, penulisan-review & pengeditan. J. W. M. Frenken: Konseptualisasi karya eksperimental, pengawasan, penulisan-tinjauan & pengeditan.

Konflik kepentingan

Penulis menyatakan bahwa mereka tidak memiliki kepentingan keuangan yang bersaing atau hubungan pribadi yang dapat memengaruhi pekerjaan yang dilaporkan dalam makalah ini.

Ucapan Terima Kasih

Eksperimen dilakukan di ARCNL, kemitraan publik-swasta Universitas Amsterdam (UVA), VU University Amsterdam, Dewan Penelitian Belanda (NWO) dan produsen peralatan semikonduktor ASML. Hasil teoretis adalah bagian dari proyek slide yang telah menerima dana dari Dewan Penelitian Eropa (ERC) di bawah Program Penelitian dan Inovasi Horizon 2020 Uni Eropa. (Perjanjian Hibah Tidak. 865633).

Referensi

  1. C. Lee, x. Wei, J. W. Kysar dan J. Hone, Science, 2008, 321, 385 CrossRefcaspubmed.
  2. HAI. Penkov, h.-J. Kim, h.-J. Kim dan d.-E. Kim, int. J. Ikhtisar. Eng. Manuf. , 2014, 15, 577–585 Crossref.
  3. P. Egberts, g. H. Han, x. Z. Liu, a. T. C. Johnson dan r. W. Carpick, ACS Nano, 2014, 8, 5010 CrossRefcaspubMed.
  4. A. J. Marsden, m. Phillips dan n. R. Wilson, Nanotechnology, 2013, 24, 255704 CrossRefcaspubMed.
  5. J. S. Choi, J.-S. Kim, i.-S. Byun, d. H. Lee, m. J. Lee, b. H. Taman, c. Lee, d. Yoon, h. Cheong, k. H. Lee, Y.-W. Son, J. Y. Taman dan m. Salmeron, Science, 2011, 333, 607 CrossRefcaspubmed.
  6. T. Demirbaş dan m. Z. Baykara, J. Mater. Res. , 2016, 31, 1914 Crossref.
  7. H. Lee, n. Lee, Y. SEO, J. Eom dan s. Lee, Nanoteknologi, 2009, 20, 325701 CrossRefpubMed.
  8. T. Filleter, J. L. McChesney, a. Bostwick, e. ROTENBERG, K. V. Emtsev, t. Seyller, k. Tanduk dan r. Bennewitz, Phys. Putaran. Lett. , 2009, 102, 086102 CrossRefcaspubMed.
  9. Z. Deng, a. Smolyanitsky, q. Li, f. Xi-Qiao dan r. J. Cannara, Nat. Mater. , 2012, 11, 1032 CrossRefCaspubMed.
  10. D. Marchetto, t. Feser dan m. Dienwiebel, gesekan, 2015, 3, 161 Crossrefcas.
  11. D. Marchetto, c. Diadakan, f. Hausen, f. Wählisch, m. Dienwiebel dan r. Bennewitz, Tribol. Lett. , 2012, 48, 77 CrossRefcas.
  12. K.-S. Kim, h.-J. Lee, c. Lee, s.-K. Lee, h. Jang, J.-H. Ahn, J.-H. Kim dan h.-J. Lee, ACS Nano, 2011, 5, 5107 CrossRefcaspubmed.
  13. D. Berman, a. Erdemir dan a. V. Sumant, ACS Nano, 2018, 12, 2122–2137 CrossRefcaspubMed.
  14. M. Schulzendorf, a. Hinaut, m. Kisiel, r. Jöhr, r. Pawlak, hlm. RESUCCIA, e. Meyer, m. C. Righi dan T. Glatzel, ACS Nano, 2019, 13, 5485 CrossRefcaspubMed.
  15. C. Lee, q. Li, w. Kalb, x.-Z. Liu, h. Berger, r. W. Carpick dan J. Hone, Science, 2010, 328, 76 CrossRefcaspubmed.
  16. Z. Kamu, c. Tang, y. Dong dan a. Martini, J. Appl. Fisiol. , 2012, 112, 116102 Crossref.
  17. Q. Li, c. Lee, r. W. Carpick dan J. Mengasah, fisik. Status Solidi B, 2010, 247, 2909 Crossrefcas.
  18. S. Li, q. Li, r. W. Carpick, hlm. Gumbsch, x. Z. Liu, x. Ding, J. Matahari dan j. Li, Nature, 2016, 539, 541 CrossRefcaspubmed.
  19. S. Zhang, y. Hou, s. Li, l. Liu, z. Zhang, x.-Q. Feng dan q. Li, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. , 2019, 116, 24452 CrossRefcaspubmed.
  20. N. A. Vinogradov, a. A. Zakharov, v. KOCEVSKI, J. Rusz, k. A. Simonov, o. Eriksson, a. Mikkelsen, e. Lundgren, a. S. Vinogradov, n. Mårtensson dan a. B. Preobrajenski, Phys. Putaran. Lett. , 2012, 109, 026101 CrossRefcas.
  21. P. Restuccia dan m. C. Righi, Carbon, 2016, 106, 118 Crossrefcas.
  22. D. Marchetto, hlm. Restuccia, a. Ballestrazzi, m. C. Righi, a. Rota dan S. Valeri, Carbon, 2017, 116, 375 Crossrefcas.
  23. X. Zang, q. Zhou, J. Chang, y. Liu dan l. Lin, Microelectron. Eng. , 2015, 132, 192 CrossRefcas.
  24. X. Fan, a. D. Smith, f. Forsberg, s. Wagner, s. Schröder, s. Sayedeh, a. Akbari, a. C. Fischer, l. Guillermo Villanueva, M. Östling, m. C. Lemme dan f. Niklaus, Microsyst. Nanoeng. , 2020, 6, 17 CrossRefcaspubmed.
  25. Y. y. Wang, z. H. Ni, t. Yu, z. X. Shen, h. M. Wang, y. H. Wu, w. Chen dan a. T. S. Wee, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 10637 CrossRefcas.
  26. L. M. Malard, m. A. Pimenta, g. Dresselhaus dan m. S. Dresselhaus, Phys. Reputasi. , 2009, 473, 51 CrossRefcas.
  27. S. D. Costa, a. Righi, c. Fantini, Y. Hao, c. Magnuson, l. Kolombo, r. S. Ruoff dan m. A. Pimenta, Solid State Commun. , 2012, 152, 1317 CrossRefcas.
  28. D. L. Duong, g. H. Han, s. M. Lee, f. Senjata, e. S. Kim, s. T. Kim, h. Kim, q. H. Ta, k. P. Jadi, s. J. Yoon, s. J. Chae, y. W. Jo, m. H. Taman, s. H. Chae, s. C. Lim, J. Y. Choi dan y. H. Lee, Nature, 2012, 490, 235 CrossRefcaspubmed.
  29. B. K. Meyer, a. Polity, d. Reppin, m. Becker, hlm. Hering, b. Kramm, hlm. J. Klar, t. Sander, c. Reindl, c. Heiliger, m. Heinemann, c. Müller dan c. Ronning, dalam semikonduktor dan semimetal ED. B. G. Svensson, s. J. Pearton dan c. Jagadish, Elsevier, 2013, vol. 88, ch. 6 Pencarian PubMed.
  30. X. Yin, y. Li, f. Ke, c. Lin, h. Zhao, l. Gan, z. Luo, r. Zhao, t. F. Heinz dan Z. Hu, Nano Res. , 2014, 7, 1613 CrossRefcas.
  31. M. Huang, h. Yan, c. Chen, d. Lagu, t. F. Heinz dan J. Mengasah, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. , 2009, 106, 7304 CrossRefcas.
  32. C. Lee, x. Wei, q. Li, r. Carpick, J. W. Kysar dan J. Mengasah, fisik. Status Solidi B, 2009, 246, 2562 Crossrefcas.
  33. T. Filleter dan r. Bennewitz, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. , 2010, 81, 155412 Pencarian PubMed.
  34. S. M. Lagu dan b. J. Cho, Nanoteknologi, 2010, 21, 335706 CrossRefpubMed.
  35. J. C. Tombak, j. P. Custerb dan j. D. Batteas, Nanoscale, 2015, 7, 10021 RSC.
  36. P. A. Khomyakov, G. Giovannetti, hlm. C. Rusu, g. Brocks, J. van den brink dan p. J. Kelly, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. , 2009, 79, 195425 Pencarian PubMed.
  37. Z. Xu dan m. J. Buehler, J. Phys.: Condens. Matter, 2010, 22, 485301 CrossRefpubmed.
  38. C. Gong, g. Lee, b. Shan, e. M. Vogel, r. M. Wallace dan K. Cho, J. Appl. Phys. , 2010, 108, 123711 Crossref.
  39. A. Segera, m. Todorova, b. Delley dan c. Stampfl, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. , 2007, 75, 125420 Pencarian PubMed.
  40. P. RESUCCIA, m. Ferrario dan m. C. Righi, Carbon, 2020, 156, 93 Crossrefcas.
  41. S. Goler, c. Coletti, v. Tozzini, v. Piazza, t. Mashoff, f. Beltram, v. Pellegrini dan s. Heun, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 11506 CrossRefcas.
  42. V. Jain dan b. Kandasubramanian, J. Mater. Sci. , 2020, 55, 1865 CrossRefcas.
  43. Nanolayer yang diterapkan b.V., Bahan dua dimensi, Delft, Belanda, 2021, diambil 13 September 2022 dari https: // www.Wayals yang diterapkan.com/ produk/ pencarian PubMed.
  44. R. J. Cannara, m. Eglin dan r. W. Carpick, Rev. Sci. Instrum. , 2006, 77, 053701 Crossref.
  45. M. L. B. Palacio dan b. Bhushan, Crit. Putaran. Solid State, 2010, 35, 73 Crossrefcas.
  46. P. Giannozzi, s. Baroni, n. Bonini, m. Calandra, r. Mobil, c. Cavazzoni, d. Ceresoli, g. L. Chiarotti, m. Cococcioni, i. Dabo, a. Dal corso, s. de Gironcoli, s. Fabris, g. Fratesi, r. Gebauer, u. Gerstmann, c. Gougoussis, a. Kokalj, m. Lazzeri, l. Martin-Samos, n. Marzari, f. Mauri, r. Mazzarello, l. Paulatto, c. Sbraccia, s. Scandolo, g. Sclauzero, a. P. Seitsonen, a. Smogunov, hlm. Umari dan r. M. Wentzcovitch, J. Phys.: Condens. Matter, 2009, 21, 395502 CrossRefpubmed.
  47. J. P. Perdew, k. Burke dan m. Ernzehof, Phys. Putaran. Lett. , 1996, 77, 3865 CrossRefcaspubmed.
  48. S. Grimme, J. Komputasi. Chem. , 2006, 27, 1787 CrossRefcaspubmed.

Related Posts

© racavedigger.com 2026